Giáo trình Thiết kế hệ thống cấp nước với Epanet v.2

Thiết kế hệ thống cấp nước đô thị với EPANET version 2

Hoà Long Phi

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

BỘ MƠN KỸ THUẬT TÀI NGUN NƯỚC

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP NƯỚC VỚI

EPANET v.2
Tài liệu tham khảo cho Sinh Viên và Kỹ Sư chuyên ngành Cấp Thoát Nước

Hồ Long Phi

2005
1


Thiết kế hệ thống cấp nước đô thị với EPANET version 2

Hồ Long Phi

Mục lục
GIỚI THIỆU ......................................................................................................................... 5
1.1
Khả năng của EPANET............................................................................................. 5
1.2
Hỗ trợ......................................................................................................................... 6
1.3

Cài đặt chương trình .................................................................................................. 6
1.4
Mục đích và nội dung của tài liệu ............................................................................. 6
MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH HỆ THỐNG CẤP NƯỚC ĐƠN GIẢN ................................ 9
2.1
Nguyên tắc mô phỏng hệ thống cấp nước ................................................................. 9
2.2
Khai báo số liệu chung .............................................................................................. 9
2.3
Khai báo đặc tính của các đối tượng........................................................................ 13
Đối tượng PIPE: .............................................................................................................. 13
Đối tượng NODE:............................................................................................................ 13
Đối tượng PUMP: ............................................................................................................ 14
Đối tượng RESERVOIR:................................................................................................. 14
Khai báo Demand Pattern............................................................................................... 15
Khai báo đặc tính bơm (PUMP CURVE):....................................................................... 15
Khai báo đường cong hiệu suất bơm (EFFIC. CURVE):................................................. 16
2.4
Báo lỗi và cách khắc phục:...................................................................................... 17
2.5
Phân tích kết quả mô phỏng: ................................................................................... 19
Câu hỏi:............................................................................................................................... 21
HIỆU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ ĐƯỜNG ỐNG VÀ BƠM ............................................... 24
3.1
Hiệu chỉnh đường kính ống...................................................................................... 24
3.2
hiệu chỉnh thông số kỹ thuật của máy bơm ............................................................. 25
XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ĐÀI NƯỚC VÀ BỂ CHỨA .......................... 30
4.1
thông số kỹ thuật của đài nước ................................................................................ 30

4.2
Xác định thông số kỹ thuật của bể chứa .................................................................. 36
BỐ TRÍ CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG CẤP NƯỚC ...................... 39
MÔ PHỎNG CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG CẤP
NƯỚC ................................................................................................................................. 44
6.1
Các lệnh điều khiển đơn giản (simple controls ) ..................................................... 44
6.2
Các lệnh điều khiển logic (rule-based controls)...................................................... 45
CÁC TRƯỜNG HP MÔ PHỎNG ĐẶC BIỆT .................................................................. 50
7.1
Thiết kế hệ thống tưới tự động ................................................................................ 50
Các đặc điểm hoạt động và thiết kế của hệ thống tưới tự động ...................................... 50
Chuẩn bị tài liệu .............................................................................................................. 50
Ví dụ................................................................................................................................ 51
7.2
Thiết kế hệ thống vòi phun nùc trang trí ............................................................... 53
Ví dụ................................................................................................................................ 53
7.3
Mô phỏng nguồn cấp nước ...................................................................................... 55
Mô phỏng nguồn nước là đường ống chính có áp lực biết trước ...................................... 55
Mô phỏng nguồn nước là hồ chứa hay sông .................................................................... 56
Mô phỏng nguồn nước là trạm xử lý ............................................................................... 57
CÁC TÍNH NĂNG NÂNG CAO CỦA EPANET ............................................................... 58
8.1
Tích hợp với bản đồ nền và tính chất Auto Length ................................................. 58
8.2
Truy tìm các đối tượng trong hệ thống .................................................................... 59
2

Thiết kế hệ thống cấp nước đô thị với EPANET version 2

Hồ Long Phi

Find ................................................................................................................................. 59
KHAI THÁC KẾT QUẢ VÀ XUẤT BÁO CÁO ................................................................ 62
9.1
Kết quả dạng biểu đồ .............................................................................................. 62
Time series (chuỗi thời gian) .......................................................................................... 62
Profile plot (biểu đồ trắc dọc) ........................................................................................ 63
Contour Plot (Bản đồ đẳng trị) ........................................................................................ 65
Frequency Plot (Biểu đồ tần suất xuất hiện)................................................................... 68
System flow (lưu lượng hệ thống) ................................................................................... 69
9.2
Kết quả dạng bảng .................................................................................................. 71
9.3
Xuất kết quả ra ngoài EPANET .............................................................................. 72
Xuất kết quả dạng bảng .................................................................................................. 72
9.4
Xuất sơ đồ hệ thống (MAP)..................................................................................... 73
9.5
Xuất phương án mô phỏng (scenario)...................................................................... 74
9.6
Xuất thông số của mạng lưới ................................................................................... 74
PHỤ LỤC............................................................................................................................ 78
Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt cho khu dân cư theo loại nhà (TCXD -33-85) ................... 78
Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt tạm tính.............................................................................. 78
Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt cho khu dân cư theo tích chất đô thị (72/2001/NĐ-CP). .... 78
Tiêu chuẩn tưới đường và công viên ................................................................................... 79

Tiêu chuẩn cấp nước chữa cháy cho khu dân cư ................................................................. 79
Tiêu chuẩn cấp nước chữa cháy cho khu công nghiệp ........................................................ 80
Bậc tin cậy của trạm bơm (TCXD -33 -1985) ..................................................................... 80
Số lượng tổ máy bơm dự phòng xác định theo bậc tin cậy (TCXD 33:1985)...................... 80
Các quy định về ống dẫn, mạng lưới đường ống và các công trình trong mạng (TCXD
33:1985) .............................................................................................................................. 81
Trường hợp tính toán hệ thống cấp nước (TCXD 33:1985)................................................. 82
Những quy định về đài nước và bể chứa ............................................................................. 82
Những quy định về áp lực trong hệ thống cấp nước (TCXD 33:1985) ................................ 83
Số liệu tham khảo về hệ số không điều hoà giờ ................................................................. 83
Hệ số không điều hoà giờ của nhu cầu nước sinh hoạt (DEMAND PATTERN) ................ 84
Hệ số không điều hoà giờ của nhu cầu nước khác (DEMAND PATTERN) ....................... 85
Quy cách sản xuất ống nhựa PVC cứng .............................................................................. 85

3


Thiết kế hệ thống cấp nước đô thị với EPANET version 2

Hồ Long Phi

Lời nói đầu
Trong thời gian gần đây, EPANET v.2 đã được sử dụng khá rộng rãi trong thực tiễn sản
xuất và đã được đưa vào giảng dạy chính thức cho sinh viên ngành Kỹ Thuật Tài Nguyên
Nước của trường đại Học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh.
Việc sử dụng EPANET thường được ngộ nhận là đơn giản do quá trình khai báo và khai
thác kết quả khá dễ dàng thông qua các giao diện thân thiện. Tuy nhiên không giống như
những phần mềm thông dụng khác, việc khai thác một phần mềm thủy lực như EPANET
hoàn toàn không đơn giản. Nó đòi hỏi một sự am hiểu nhất định về cách thức mô hình hóa
một hệ thống thực thành số liệu nhập cũng như đánh giá tính hợp lý của thiết kế về kỹ

thuật lẫn như kinh tế. Có thể nói rằng với cùng một đề bài cho trước (ví dụ như một hệ
thống cấp nước cần thiết kế) những lời giải thu được vế cấu hình và chế độ hoạt động của
hệ thống sẽ có thể không hoàn toàn giống nhau. Nói cách khác đây là một bài toán đa
nghiệm mà kết quả phụ thuộc khá nhiều vào kinh nghiệm cũng như những kiến thức căn
bản về thủy lực của người sử dụng. Khó khăn chung của những người sử dụng EPANET là
không thể đánh giá được một cách đầy đủ tính hợp lý của một hệ thống cấp nước cũng như
các thiết bị và công trình phụ trợ trên mạng lưới được thiết kế bằng EPANET.
Tài liệu tham khảo này được biên soạn dựa trên kinh nghiệm nhiều năm của tác giả trong
giảng dạy và ứng dụng trong thực tế sản xuất. Bản thảo lần 1 đã được đưa ra vào tháng
4/2004 dưới dạng tài liệu tham khảo nội bộ. Sau đó tài liệu đã được biên soạn lại và bổ
sung thêm một số nội dung mới cho lần xuất bản đầu tiên này.
Chúng tôi mong muốn nhận được các ý kiến đóng góp của bạn đọc để có thể khắc phục
những thiếu sót và tiếp tục hoàn chỉnh tài liệu này trong tương lai.
Hoà Long Phi

4


Thiết kế hệ thống cấp nước đô thị với EPANET version 2

Hồ Long Phi

GIỚI THIỆU
EPANET là một chương trình máy tính có khả năng mô phỏng chế độ thủy lực và chất
lượng nước trong hệ thống đường ống có áp. Hệ thống được mô phỏng có thể bao gồm
đường ống các loại, bơm, van điều khiển, bể chứa… EPANET có thể mô phỏng hoạt động
giả định của hệ thống trong giai đoạn thiết kế và vận hành và cung cấp những diễn biến
theo thời gian về lưu lượng và lưu tốc trong đường ống, áp suất tại các vị trí trong mạng,
chế độ mực nước trong đài và bể và nồng độ và thời gian lưu lại của các loại hóa chất trong
hệ thống cấp nước. EPANET đã được chứng tỏ là một trong những công cụ hữu hiệu để

thiết kế các hệ thống cấp nước bao gồm cả việc xác định các thông số kỹ thuật của các
thiết bị và công trình trên mạng. Khả năng mô phỏng khá mạnh của EPANET cho phép
người sử dụng có thể xét đến hầu hết những tình huống thực tế phức tạp ttong tính toán cấp
nước.
Là một chương trình chạy trong môi trường Windows, EPANET cung cấp những giao diện
dễ sử dụng cho việc chuẩn bị số liệu, tính toán thủy lực và mô phỏng chất lượng nước cũng
như kết xuất kết quả dưới dạng bảng, đồ thị, bản đồ và những dữ liệu thống kê. EPANET
đã được phát triển bởi Water Supply and Water Resources Division thuoäc U.S.
Environmental Protection Agency's National Risk Management Research Laboratory.
EPANET là một chương trình Freeware, được cung cấp dưới dạng 1 file ZIP. Chương trình
này có thể được download miễn phí từ website của EPA:
/>1.1

Khả năng của EPANET

EPANET cho phép:
•
•
•
•
•
•
•

•
•
•

Mô phỏng hệ thống với quy mô bất kỳ.
Tính toán tổn thất thủy lực theo các công thức Hazen-Williams, Darcy-Weisbach,

hay Chezy-Manning.
Xét đến những tổn thất cục bộ gây ra bởi thiết bị, việc nối ống, các vị trí uốn cong
hay thay đổi kích thước trong mạng…
Mô phỏng các loại nguồn cấp nước khác nhau.
Mô phỏng bơm với các chế độ vận hành cố định hay thay đổi.
Tính toán hiệu suất bơm và chi phí năng lượng.
Mô phỏng các loại van khác nhau như van giảm áp (Pressure Regulation Valve PRV), van duy trì áp (Pressure Sustaining Valve - PSV), van tiết lưu (Flow Control
Valve - FCV), van một chiều (Check Valve - CV)…
Mô phỏng đài nước và bể chứa với hình dạng bất kỳ (tiết diện thay đổi theo chiều
cao).
Xét đến đồng thời nhiều chế độ dùng nước khác nhau tại ccác khu vực trong hệ
thống).
Mô phỏng các loại vòi phun có lưu lượng phụ thuộc áp lực (vòi phun trang trí ở công
viên hay vòi phun trong các hệ thống tưới tự động)
5


Thiết kế hệ thống cấp nước đô thị với EPANET version 2
•

Hồ Long Phi

Mô phỏng hoạt động của hệ thống cấp nước theo những điều kiện tự động hoá cho
trước.

Ngoài ra khả năng mô phỏng về chất lượng nước của EPANET còn cho phép:
•
•
•
•

1.2

Mô phỏng sự vận chuyển của các hóa chất không phản ứng (non-active) trong hệ
thống cấp nước.
Mô phỏng sự kết tủa của các hóa chất xử lý nước trong đường ống.
Theo dõi thời gian lưu lại của nước trong hệ thống cấp nước.
Cho phép khai báo chế độ cấp hóa chất vào hệ thống thay đổi theo thời gian.
Hỗ trợ

Những người sử dụng EPANET có thể nhận được sự tư vấn hay trao đổi kinh nghiệm thông
qua một diễn đàn quốc tế (Forum) được tổ chức và điều hành bởi Đại Học Guelph. Để
tham dự, chỉ cần gửi một Email đến địa chỉ: với địa chỉ email
của mình và dòng chữ subscribe epanet-users trong nội dung thư. Khi tham gia diễn đàn
này, thành viên có thể trao đổi kinh nghiệm cũng như đưa ra những câu hỏi có liên quan
đến lý thuyết và ứng dụng thực tế… để được giải đáp bởi ban điều hành hoặc những thành
viên khác.
Tài liệu tham khảo chính thức dạng pdf (tiếng Anh) có thể được download từ địa chỉ của
EPA nêu trên. Ngoài ra người đọc cũng có thể liên hệ tại địa chỉ sau đây để có được
chương trình và bản dịch bằng tiếng Việt:
Bộ môn Kỹ Thuật Tài Nguyên Nước
Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh
268 Lý Thường Kiệt Quận 10
ĐT: 8651307
Email:
1.3

Cài đặt chương trình

Chương trình EN2SETUP.EXE download từ website của EPA vào một thư mục bất kỳ nào

trong đóa cứng. Khi chạy chương trình này, mọi việc cài đặt sẽ được tiến hành tự động vào
trong máy. Địa chỉ của file thực thi là "C:\Program Files\EPANET2\Epanet2w.exe".
1.4

Mục đích và nội dung của tài liệu

Tài liệu này nhằm cung cấp thêm cho Sinh Viên chuyên ngành Cấp Thoát Nước một tài
liệu tham khảo để giúp họ làm quen với những kỹ năng cơ bản để sử dụng EPANET trong
lúc làm đồ án môn học, luận văn tốt nghiệp. Những Kỹ Sư cấp thoát nước cũng có thể tìm
thấy ở đây những hướng dẫn cụ thể nhằm giúp họ trong việc thiết kế mạng lưới cấp nước
với EPANET. Ngoài ra, trong phần phụ lục chúng tôi cũng trích dẫn những quy định cần

6


Thiết kế hệ thống cấp nước đô thị với EPANET version 2

Hồ Long Phi

thiết của quy phạm TCXD 33:1985 đối với công tác thiết kế hệ thống cấp nước bên ngoài.
EPANET là một mô hình toán học hoạt động theo kiểu: IF-THEN (nếu-thì). Kết quả nhận
được khi mô phỏng hoàn toàn phụ thuộc vào số liệu cung cấp cho mô hình và quan niệm
mô phỏng hệ thống. Khác với nhiều phần mềm kỹ thuật khác, đối với EPANET việc chọn
lựa lời giải cho một vấn đề thực tế hoàn toàn phụ thuộc vào kinh nghiệm của người sử
dụng. Cùng một bài toán tùy theo cách khai báo dữ liệu nhập, người sử dụng sẽ nhận được
những kết quả khác nhau. Do đó người sử dụng EPANET cần phải biết cách khai báo bài
toán sao cho có thể mô phỏng các tình huống thực tế một cách gần với hợp lý nhất.
Ngoài ra khi thiết kế, việc hiệu chỉnh mô hình từng bước là điều rất cần thiết để có thể thu
được một lời giải hợp lý về kinh tế và kỹ thuật. Để có thể thực hiện được việc hiệu chỉnh
mô hình, người thiết kế cần phải biết cách đánh giá những thông số kỹ thuật (dự báo) của

sơ đồ đã chọn thông qua những kết quả mô phỏng được xuất ra dưới dạng bảng biểu hay đồ
thị, từ đó đề ra các giải pháp thay đổi dần các thông số đầu vào cho thích hợp hơn.
Do bản chất của hệ thống cấp nước, đối với một yêu cầu kỹ thuật cho trước luôn luôn tồn
tại nhiều phương án thiết kế khác nhau. Do đó, EPANET, cũng như các phần mềm mô
phỏng khác, chỉ có thể cung cấp những hình ảnh dự báo của một giải pháp dự kiến, mà
không quyết định thay cho người thiết kế một giải pháp tối ưu.
Tối ưu hóa một hệ thống cấp nước theo những điều kiện ràng buộc cho trước cũng đã được
nghiên cứu từ vài năm nay. Thuật toán được áp dụng tương đối thành công cho đến nay là
Genetic Algorithm, được sử dụng trong phần mềm OptiDesigner (2001). Phần mềm này có
thể được download từ địa chỉ: .
Tuy nhiên OptiDesigner cũng chỉ mới tối ưu hóa được giá thành của hệ thống đường ống
trên cơ sở đảm bảo áp lực tối thiểu trên mạng. Trên thực tế việc tối ưu hóa một hệ thống
cấp nước còn liên quan đến phân tích các chỉ tiêu kinh tế giữa đầu tư và chi phí năng lượng.
Ngoài ra cũng còn phải quan tâm đến các hạng mục khác như máy bơm, đài nước, bể
chứa… Điều này chỉ có thể thực hiện được thông qua việc thử dần.
Thông qua những bài tập được sắp xếp từ dễ đến khó dần, người đọc sẽ dần dần trở nên
quen thuộc với EPANET và có thể tự mình triển khai những mô hình thiết kế phức tạp hơn
trong thực tế. Sau đây là một số vấn đề sẽ được đề cập và giải thích trong tài liệu.
Vấn đề
1

2

Mục đích
- Mô phỏng một mạng lưới đơn giản gồm một bơm, bể chứa và mạng lưới
cấp nước. Quan sát kết quả theo các hình thức khác nhau: biểu đồ và
bảng.
Sử dụng kết quả của bài tập 1 để giải thích và phân tích kết quả
- Thay đổi kích thước đường ống và phân tích kết quả.
- Thay đổi hệ số H-W và xem xét ảnh hưởng đối với kết quả.

Thay đổi lần lượt các thông số H và Q của bơm trong bài tập 1 và quan
sát ảnh hưởng của thông số bơm đối với phân bố áp lực trong hệ thống.
Giải thích hiện tượng.

7


Thiết kế hệ thống cấp nước đô thị với EPANET version 2
4
5
6
7
8
9
10
11

12

13

Hồ Long Phi

Thay đổi nhu cầu dùng nước (Base demand và pattern) và quan sát lưu
lượng cấp của bơm trong 2 trường hợp. Giải thích hiện tượng.
Xem xét ảnh hưởng của đài nước.
Bố trí một đài nước vào mạng lưới trong BT 1 và xem xét sự thay đổi áp
lực trong mạng so với trước khi có đài nước.
Thay đổi vị trí đài nước và quan sát ảnh hưởng của yếu tố này.
Thay đổi các thông số kỹ thuật của đài nước (Elevation, Max. level, Min.

level. Diameter) và quan sát ảnh hưởng của chúng.
Bổ sung các tổn thất cục bộ và quan sát ảnh hưởng.
Điều khiển hệ thống:
- Bố trí van một chiều, van giảm áp (PRV), van duy trì áp lực (PSV)…
- Điều khiển đóng mở thiết bị theo tín hiệu áp lực.
- Điều khiển đóng mở thiết bị theo thời gian.
Thiết kế hệ thống tưới tự động
Thiết kế hệ thống phun nước công viên
Các trường hợp mô phỏng đặc biệt:
- Lấy nước từ hồ chứa
- Lấy nước từ bể điều tiết nước.
- Lấy nước từ sông có ảnh hưởng thủy triều
- Lấy nước từ đường ống cấp nước chính.
Xuất kết quả ra ngoài EPANET

8


Thiết kế hệ thống cấp nước đô thị với EPANET version 2

Hồ Long Phi

MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH HỆ THỐNG CẤP NƯỚC ĐƠN GIẢN
Trong chương này người đọc sẽ làm quen với EPANET thông qua việc mô phỏng một
mạng lưới đơn giản gồm một bơm, bể chứa và mạng lưới đường ống cấp nước. Kết quả sẽ
được khai thác theo các hình thức biểu đồ và bảng. Việc phân tích kết quả mô phỏng là
một nội dung quan trọng, trong đó người đọc sẽ được giới thiệu về ý nghóa và những tiêu
chí kỹ thuật để đánh giá kết quả. Ngoài ra, một số những báo lỗi thông thường và cách
khắc phục cũng sẽ được trình bày trong phần này.
2.1

Nguyên tắc mô phỏng hệ thống cấp nước

Một hệ thống cấp nước sẽ được tính toán mô phỏng theo trình tự sau:
- Phác hoạ sơ đồ hệ thống bao gồm các nút cấp nước và đường ống nối giữa các nút
này. Chú ý bố trí vị trí các mạch vòng sao cho kích thước của một vòng không quá
lớn. Theo USEPA, đối với những đường ống có kích thước 200 mm, chiều dài cạnh
lớn nhất của mạch vòng không nên lớn hơn 300 m, đối với những đường ống có kích
thước từ 300 mm trở lên, giá trị này là khoảng 1000 m. Trong lúc mô phỏng, nếu
phát hiện những vị trí có áp lực thấp cục bộ, có thể khắc phục bằng cách bao quanh
nút này bằng một mạch vòng bổ sung. Tính năng BACKDROP của EPANET cho
phép ta phác họa trực tiếp vị trí các nút và đường ống lên bản đồ nền của khu vực
dự án (xem chương 7).
- Bố trí sơ bộ các công trình trong mạng như bể chứa, đài nước, máy bơm,van điều
khiển, thiết bị SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)… Sự cần thiết
và vị trí các thiết bị này đối với một hệ thống cấp nước cụ thể được xác định dựa
theo các chỉ dẫn trong quy phạm và cả kinh nghiệm của người thiết kế.
- Xác định lưu lượng yêu cầu trung bình ngày cho các nút dựa theo các khu vực do
nút phụ trách. (xem phụ lục)
- Xác định hệ số dùng nước vào từng giờ trong ngày (hệ số không điều hòa giờ - tham
khảo phụ lục )
- Xác định nhu cầu lưu lượng chữa cháy. (xem phụ lục)
2.2

Khai báo số liệu chung
-

-

Mở chương trình Epanet2W.exe

Chọn File / New để tạo một đề án mới.
Chọn Project / Defaults để mở bảng khai báo các thông số mặc định.
Trong trang ID Labels page, xóa tất cả các ID Prefix fields và khai báo ID
Increment bằng 1. EPANET sẽ tự động dánh số các đối tượng mới theo thứ tự tăng
dần liên tiếp.
Trong trang Hydraulics page chọn LPS cho Flow Units và Hazen-Williams (H-W)
là công thức tính tổn thất áp lực.

Chú ý:

9


Thiết kế hệ thống cấp nước đô thị với EPANET version 2

Hồ Long Phi

Nếu muốn lưu lại những thay đổi trên đây để áp dụng cho những thiết kế sau này, hãy
đánh dấu trên mục Save as defaults nằm ở đáy bảng trước khi chọn OK
- Khai báo TIMES OPTION:
Mở cửa sổ BROWSER / OPTIONS / TIMES.

Khai báo TOTAL DURATION = 48 (thời gian mô phỏng là 48 giờ) và những giá trị khác
như trong bảng trên. Click OK để chấp nhận những khai báo đã thực hiện và đóng bảng
khai báo.
- Để hiển thị tên đối tượng trên màn hình, hãy chọn VIEW / OPTIONS. Trong bảng
đối thoại MAP OPTIONS chọn NODES và đánh dấu DISPLAY JUNCTIONS và
DISPLAY BORDER.

Sau đó chọn NOTATION và đánh dấu tất cả các ô.

10


Thiết kế hệ thống cấp nước đô thị với EPANET version 2

Hồ Long Phi

Trong mục SYMBOLS hãy đánh dấu chọn tất cả các ô.

- Để hiển thị chiều dòng chảy, hãy chọn VIEW / OPTIONS. Trong bảng đối thoại MAP
OPTIONS chọn FLOW ARROWS và đánh dấu OPEN hoặc FILLED.

11


Thiết kế hệ thống cấp nước đô thị với EPANET version 2

Hồ Long Phi

- Click OK để chấp nhận những khai báo đã thực hiện và đóng bảng khai báo.
- Thêm hồ chứa bằng cách nhấn nút ADD RESERVOIR trên Toolbar. (Nếu toolbar
không hiển thị trên màn hình, hãy chọn VIEW / TOOLBARS / MAP). Click chuột tại
vị trí muốn bố trí hồ chứa.
- Bổ sung các nút lấy nước (junction nodes). Click chuột lên nút ADD JUNCTION trên
Toolbar. Click chuột tại vị trí muốn bố trí nút để tạo ra các nút từ 2 đến 7.
- Thêm ống nối giữa các nút bằng cách click lên nút ADD PIPE và vẽ lần lượt các đoạn
ống như trong hình 1.
- Thêm bơm giữa hồ chứa và nút 2 bằng cách click lên nút PUMP sau đó click và vẽ từ
hồ chứa 1 đến nút 2.

1

1

2

2

7

Hình 1: Sơ đồ hệ thống

5

3

3

8

6

6

4

4

5

7

Chú ý:
- Để chọn một đối tượng trên hệ thống, click vào nút SELECT OBJECTS (hình mũi tên)
sau đó click lên đối tượng
- Để xóa một đối tượng trên hệ thống, sau khi đã chọn đối tượng nhấn phím delete.
- Để chỉnh vị trí của đối tượng NODE hãy khai báo tọa độ X và Y của đối tượng (xem mục
14 bên dưới).
12


Thiết kế hệ thống cấp nước đô thị với EPANET version 2

Hồ Long Phi

- Khai báo thông số kỹ thuật cho từng đối tượng:
- Click nút phải của chuột lên đối tượng và chọn PROPERTIES trong bảng.
2.3

Khai báo đặc tính của các đối tượng

Đối tượng PIPE:

Ký hiệu ống
Nút đầu
Nút cuối
Mô tả
Nhãn (để phân loại)
Chiều dài (m)
Đường kính (mm)

Hệ số nhám
Hệ số xét đến tổn thất cục bộ
Trạng thái ban đầu (mở hoặc đóng)
Hệ số phản ứng trong dòng chảy
Hệ số phản ứng gần thành ống

-

Khai báo liên kết Nút ở 2 đầu ống, chiều dài, đường kính, hệ số nhám… của các
đoạn ống.
Hãy giả định sơ bộ cho toàn bộ hệ thống: chiều dài = 1000m, đường kính = 200mm, hệ
số nhám = 130.
Đối tượng NODE:

Ký hiệu nút
Tọa độ X trên màn hình
Tọa độ Y trên màn hình
Mô tả
Nhãn (để phân loại)
Cao độ (m)
Lưu lượng căn bản
Biểu đồ dùng nước (số hiệu)
Loại biểu đồ dùng nước
Hệ số vòi phun
Chất lượng nước ban đầu tại nút
Chất lượng nước chảy vào nút

13

Thiết kế hệ thống cấp nước đô thị với EPANET version 2
-

-

Hồ Long Phi

Khai báo lại giá trị của tọa độ X-Y để chỉnh vị trí các nút trên sơ đồ. Các giá trị này
không ảnh hưởng đến chiều dài ống tính toán.
ELEVATION: cao độ của nút (cao độ mặt đất).
BASE DEMAND: lưu lượng trung bình của ngày dùng nước lớn nhất (có xét cả hệ
số Kngày max). Trong bài tập này chọn bằng 10 l/s cho tất cả các nút (các nút có
cùng một dạng biểu đồ nhu cầu nước.)
DEMAND CATEGORIES: ký hiệu của biểu đồ nhu cầu dùng nước áp dụng cho nút
đang xét. Trong bài tập này chọn bằng 1 cho tất cả các nút (các nút có cùng một
dạng biểu đồ nhu cầu nước.)

Đối tượng PUMP:

PUMP CURVE: số ký hiệu của đường cong đặc tính bơm
EFFIC. CURVE: số ký hiệu của đường cong hiệu suất bơm
ENERGY PRICE: giá điện (đ/kWh)
Đối tượng RESERVOIR:

14


Thiết kế hệ thống cấp nước đô thị với EPANET version 2

Hồ Long Phi

RESERVOIR (bể chứa): được dùng để mô phỏng nguồn nước vô hạn, nghóa là mực nước
trong bể không bị ảnh hưởng bởi lưu lượng vào và ra mà chỉ thay đổi theo một quy luật cho
trước (có thể là hằng số hoặc dao động theo thủy triều).
TOTAL HEAD: Cao độ mực nước trong bể
Head Pattern: Biểu đồ dao động của mực nước trong bể. Khi áp dụng Head Pattern, cao độ
mực nước tại một thời điểm nào đó sẽ bằng Total Head nhân với giá trị tại thời điểm tương
ứng của Head Pattern. Head Pattern có thể được dùng để mô phỏng mực nước triều trên
sông hoặc áp lực thay đổi trong ngày của đường ống cấp nước chính vào hệ thống đang xét.
Khai báo Demand Pattern
Trong cửa sổ BROWSER, click vào mục DATA, chọn mục PATTERN trong menu bên
dưới. Để thực hiện các bài tập phần sau hãy khai báo một PATTERN như sau:
Nhấn nút ADD và khai báo lần lượt các giá trị của MULTIPLIER theo bảng dưới đây.
Giờ

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Kh

0.72

0.76

0.60

0.62

0.83

0.98

1.07

1.17

1.17

1.35

1.17

1.12

Giờ

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

Kh

1.05

0.98

0.98

1.05

1.02

0.98

1.07

1.07

1.07

1.14

1.10

0.79

Sau khi khai báo xong các giá trị trong bảng, hãy SAVE lại dưới tên kh135 để dùng lại
về sau. EPANET sẽ tự động thêm phần đuôi *.pat.
Khai báo đặc tính bơm (PUMP CURVE):

Trong cửa sổ BROWSER, click vào mục DATA, chọn mục CURVES trong menu bên
15


Thiết kế hệ thống cấp nước đô thị với EPANET version 2

Hồ Long Phi

dưới. Trong ví dụ sau ta khai báo một đường cong đặc tính bơm.
Nhấn nút ADD và khai báo các giá trị của từng cặp H-Q theo bảng dưới đây.
Duong dac tinh bom NO 125-315V
Q(l/s)
H(m)
0
35.1
10
35
20
34.9
30
34.7
40
34.2
50
32.6
60
30.8
70
28.4
80

24.4

Sau khi khai báo xong các giá trị trong bảng, hãy SAVE lại dưới tên Duong dac tinh
bom NO 125-315V để dùng lại về sau. EPANET sẽ tự động thêm phần đuôi *.crv.
EPANET cho phép khai báo và lưu trữ sẵn trước những đường cong đặc tính của các
loại bơm có trong thực tế để sử dụng khi cần.
Khai báo đường cong hiệu suất bơm (EFFIC. CURVE):
Trong cửa sổ BROWSER, click vào mục DATA, chọn mục CURVES trong menu bên
dưới. Trong ví dụ này ta khai báo đường cong hiệu suất cho bơm EBARA có mã hiệu
NO-125-315V theo thông số cung cấp bởi nhà sản xuất.
Nhấn nút ADD và khai báo các giá trị của từng cặp Flow-Efficiency theo bảng dưới
16


Thiết kế hệ thống cấp nước đô thị với EPANET version 2

Hồ Long Phi

đây.
Duong cong hieu suat bom NO 125-315V
Q(l/s)
Hiệu suất (%)
0
40
10
45
20
50
30
61

40
72
50
75
60
80
70
79
80
77
90
70

Sau khi khai báo xong các giá trị trong bảng, hãy SAVE lại dưới tên Hieu suat bom
NO 125-315V để dùng lại về sau. EPANET sẽ tự động thêm phần đuôi *.crv.
Sau khi đã khai báo xong toàn bộ các thông số cần thiết, click vào biểu tượng SAVE
trên toolbar, sau đó click vào biểu tượng RUN để tiến hành phân tích thủy lực hệ thống.
2.4

Báo lỗi và cách khắc phục:
Thử nghiệm 1:
Hãy khai báo lại đường kính ống số 2 và số 7 là 100mm và RUN. Ta sẽ nhận được
17


Thiết kế hệ thống cấp nước đô thị với EPANET version 2

Hồ Long Phi

thông báo dưới đây.

WARNING: Negative Pressure at … : … : hrs.
Giải thích: p lực âm xảy ra trong hệ thống vào lúc …giờ.
Nhận xét: Trong menu chọn REPORT và TABLE sau đó chọn NETWORK LINKS và
OK.

Chú ý tại các đoạn ống nhỏ, UNIT HEADLOSS tăng lên rất cao. Hãy ghi nhận những
vị trí này và gia tăng đường kính ống.
Thử nghiệm 2:
Hãy khai báo lại đường đặc tính bơm và hiệu suất theo bảng sau và RUN.
Q(l/s)
H(m)
Hiệu suất (%)
0
35.1
40
5
35
45
10
34.9
50
15
34.7
61
20
34.2
72
25
32.6
75

30
30.8
80
35
28.4
79
40
24.4
77
45
22.1
70
Ta sẽ nhận được thông báo lỗi như dưới đây:
WARNING: Negative Pressure at … : … : hrs.
WARNING: Pump 1 open but exceeds maximum flow at … : … : hrs.

18


Thiết kế hệ thống cấp nước đô thị với EPANET version 2

Hồ Long Phi

Giải thích: p lực âm xảy ra trong hệ thống vào lúc …giờ, nhưng lưu lượng trong hệ
thống lớn hơn lưu lượng max của bơm.
Nguyên nhân: Bơm quá nhỏ so với nhu cầu. Chú ý rằng trong ví dụ này tổng lưu lượng
yêu cầu trung bình là 6 x 10 l/s = 60 l/s. Do đó cần chọn loại bơm có lưu lượng max lớn
hơn giá trị này từ 1.5 đến 2 lần.
2.5

Phân tích kết quả mô phỏng:
p lực trong mạng vào thời gian chung quanh giờ cao điểm:
- Click vào biểu tượng TABLE trên Toolbar và chọn NETWORK NODES AT, sau đó
chọn OK.

- Nhận xét kết quả PRESSURE vào giờ dùng nước nhiều nhất. Cần đảm bảo rằng không có
nút nào có áp lực thấp hơn áp lực yêu cầu. Nếu số nút quá nhiều, có thể dùng lệnh QUERY
(trên toolbar hay trong menu VIEW): QUERY-FIND NODES WITH- PRESSUREBELOW-giá trị áp lực yêu cầu (ví dụ bằng 16m). Các nút thỏa yêu cầu query sẽ được hiển
thị trên sơ đồ hệ thống.
Trong ví dụ này tất cả các nút đều lớn hơn áp lực yêu cầu giả định là 16m.
Lưu tốc chảy trong ống vào khoảng thời gian giờ cao điểm:
- Click vào biểu tượng TABLE trên Toolbar và chọn NETWORH LINKS AT, sau đó chọn
OK.

19


Thiết kế hệ thống cấp nước đô thị với EPANET version 2

Hồ Long Phi

- Hãy nhận xét kết quả VELOCITY vào giờ dùng nước nhiều nhất. Cần đảm bảo rằng
không có đoạn ống nào có vận tốc quá thấp vào giờ cao điểm (v < 0,3-0,5m/s). Ngoài ra
vận tốc cũng không nên vượt quá vmax = 1.5-2m/s.
Tại những đoạn ống có vận tốc chưa hợp lý có thể thay đổi lại đường kính ống.
Nếu số ống quá nhiều, có thể dùng lệnh QUERY để truy tìm. Các đoạn ống thỏa yêu cầu
tìm kiếm sẽ được hiển thị trên sơ đồ hệ thống. Trong ví dụ này, các đoạn ống 4 và 8 có vận
tốc hơi nhỏ sẽ được chỉnh lại đường kính là 100mm.
Sau khi chỉnh lại đường kính ống, chạy lại mô phỏng để quan sát sự thay đổi của kết quả.
Ta thấy các kết quả tạm thỏa yêu cầu về lưu tốc. Tuy nhiên cũng cần phải kiểm tra lại

PRESSURE trong mạng vào giờ cao điểm sau khi chỉnh lại đường kính ống. Trong trường
hợp này ta thấy nút 6 và nút 7 có áp lực hơi nhỏ hơn áp lực yêu cầu (16m). Nhận xét rằng
có thể tăng áp lực tại 2 nút này bằng cách tăng đường kính ống số 7. Ta chọn lại đường
kính này là 220mm và chạy lại bài toán.
Biểu đồ áp lực tại những nút nguy hiểm nhất:
Những nút nguy hiểm nhất thường là những nút có cao độ lớn nhất hoặc/và nằm xa nguồn
cấp nước nhất. Trong ví dụ này chúng ta chọn nút số 7.
- Click vào nút số 7,
- Chọn biểu tượng GRAPH trên toolbar. Ở mục GRAPH TYPE chọn TIME SERIES,
ở mục OBJECT TYPE chọn LINKS, ở mục PARAMETER chọn VELOCITY.
Kết quả trên biểu đồ áp lực của nút số 7 theo thời gian ta thấy áp lực thay đổi từ 17 đến
32m trong một ngày đêm. Giá trị nhỏ nhất xảy ra vào 9 giờ (giờ dùng nước nhiều nhất) và
giá trị cao nhất xảy ra vào giờ dùng nước ít nhất (2 giờ).

20


Thiết kế hệ thống cấp nước đô thị với EPANET version 2

Hồ Long Phi

Phân tích biểu đồ áp lực cho nút số 7 ta thấy áp lực thay đổi trong ngày từ 17 m đến 32.5
m. So sánh với áp lực yêu cầu của hệ thống, ta có thể quyết định chấp nhận kết quả hay
tiếp tục hiệu chỉnh.
Câu hỏi:
1. Hãy bỏ đường ống số 4 và phân tích chế độ thủy lực của hệ thống. Hãy đưa ra những
luận điểm để kết luận về việc giữ hay bỏ đường ống này.
2. Hãy sử dụng ENERGY REPORT để trả lời những số liệu sau đây:
- AVERAGE EFFICIENCY (Hiệu suất trung bình của bơm): ……………%
- Điện năng tiêu hao cho 1 m3 nước:……………. Kw-hr/m3

- AVERAGE KWATTS (Công suất trung bình):……………….Kw
- PEAK KWATTS (Công suất đỉnh):……………….Kw
21


Thiết kế hệ thống cấp nước đô thị với EPANET version 2

Hồ Long Phi

- COST/DAY (Chi phí điện hàng ngày):……………….đồng.
3. Xuất số liệu kết quả tính áp lực trong mạng vào giờ cao diểm và đặt tên là Press9h.txt
Hướng dẫn: Chọn biểu tượng TABLE trên toolbar để mở hộp thoại TABLE
SELECTION. Sau đó chọn NETWORK NODES AT và 9 hr, sau đó chọn OK để mở
bảng kết quả tính áp lực trong mạng vào giờ cao điểm. Chọn nút COPY trên toolbar và
chọn FILE và đặt tên cho tập tin xuất ra.
4. Xuất kết quả biểu đồ điễn biến áp lực tại nút số 7 ra file pressure7.emf.
Hướng dẫn: Chọn nút số 7, sau đó chọn biểu tượng GRAPH trên toolbar để hiện kết
quả biểu đồ áp lực tại nút số 7 theo thời gian. Chọn nút COPY trên toolbar và chọn
FILE dạng METAFILE và đặt tên cho tập tin xuất ra.
5. Hãy sử dụng FREQUENCY PLOT để phân tích vận tốc trên mạng vào giờ cao điểm
(xem hình) và cho biết có bao nhiêu phần trăm đường ống có vận tốc vào giờ cao điểm lớn
hơn 0.3 m/s và nhỏ hơn 1 m/s. Nhận xét gì về kết quả này.

(Gợi ý: toàn bộ hệ thống có lưu tốc vào giờ cao điểm năm trong khoảng 0.25 đến 1 m/s.
Chỉ có 10% đường ống có vận tốc dưới 0.3m/s. Sơ bộ có thể kết luận rằng hệ thống đường
ống có đường kính không quá lớn.)
6. Hãy sử dụng PROFILE PLOT để quan sát áp lực dọc theo tuyến 1-2-5-6-7 vào giờ cao
điểm (xem hình bên dưới). Nhận xét gì về biểu đồ này.

22

Thiết kế hệ thống cấp nước đô thị với EPANET version 2

Hồ Long Phi

(Gợi ý: Mức độ tổn thất áp lực từ nút 2 đến nút 5 lớn hơn so với các đoạn còn lại. Do đó
nếu muốn cải thiện áp lực tại nút 7, hãy chú ý đến đường kính ống 7 (nối giữa hai nút 2 và
5).

23


Thiết kế hệ thống cấp nước đô thị với EPANET version 2

Hồ Long Phi

HIỆU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ ĐƯỜNG ỐNG VÀ BƠM
Việc thiết kế một hệ thống cấp nước về bản chất là một loạt những công đoạn thử và sai.
Những thông số kỹ thuật của hệ thống sẽ được giả định trước để chạy chương trình mô
phỏng. Sau đó dựa vào những kết quả thu được về tình trạng thủy lực của mạng và những
thông số khác, những số liệu ban đầu sẽ phải được khai báo lại cho lần thử tiếp theo. Quá
trình này sẽ được lặp lại cho đến khi thu được một sơ đồ hợp lý cả về kinh tế lẫn kỹ thuật.
Việc hiệu chỉnh số liệu trong quá trình thử nghiệm này tương đối khó khăn và đòi hỏi kinh
nghiệm cũng như sự am hiểu về các hiện tượng thủy lực diễn ra trong hệ thống cấp nước.
Trong chương này, người đọc sẽ tập làm quen với phản ứng của một hệ thống cấp nước đối
với việc thay đổi giá trị của những thông số kỹ thuật của mạng. Kết quả sẽ được phân tích
và giải thích để người đọc có thể từng bước hiểu rõ hơn về bản chất của hiện tượng và từ đó
có thể tiến hành việc hiệu chỉnh mô hình một cách có định hướng để nhanh chóng đi đến
phương án hợp lý.

3.1

Hiệu chỉnh đường kính ống

Hiệu chỉnh đường kính ống là công việc có tầm quan trọng quyết định. Việc hiệu chỉnh
đường kính ống được thực hiện nhằm mục đích làm tăng hay giảm lưu tốc trong đoạn ống
đang xét để làm thay đổi tổn thất áp lực đơn vị nhằm cải thiện tình trạng áp lực trong mạng
hay để chọn lựa đường kính ống kinh tế.
Hiệu chỉnh đường ống cần được tiến hành khi:
- lưu tốc trong đoạn ống quá nhỏ hay quá lớn: thông thường lưu tốc trong đường ống
nằm trong giới hạn khoảng 0.2 – 2 m/s. Tuy nhiên cá biệt có những trường hợp của
mạch vòng, lưu tốc có thể rất nhỏ vào giờ cao điểm tại một số vị trí đường ống.
Trong trường hợp này, đường ống được bố trí có thể là thừa và có thể được loại đi.
Để có quyết định chính xác hơn, có thể cần phải giả định các tình huống đặc biệt
khi một trong những tuyến ống chính bị hỏng hay ngừng hoạt động. Có thể tham
khảo vận tốc kinh tế trong bảng sau:
Đường kính ống
(mm)
100
150
200
250
300

Vận tốc kinh tế
(m/s)
0.15 – 0.86
0.28 – 1.15
0.38 – 1.15
0.38 – 1.48

0.41 – 1.52

Đường kính ống
(mm)
350
400
450
500
≥ 600

Vận tốc kinh tế
(m/s)
0.47 – 1.58
0.5 – 1.78
0.6 – 1.94
0.7 – 2.1
0.95 – 2.6

-

Cũng có thể quyết định dựa theo tổn thất áp lực (TTAL) đơn vị (UNIT
HEADLOSS) trong đường ống.
Một cách tổng quát khó có thể đề ra một nguyên tắc chung để đánh giá một giá trị cho
trước của TTAL đơn vị là lớn hay nhỏ. Đối với một hệ thống cấp nước đô thị loại lớn coù
24


Thiết kế hệ thống cấp nước đô thị với EPANET version 2

Hồ Long Phi

chiều dài lên đến hàng chục km thì một giá trị của TTAL đơn vị chừng 3 m/km đã là rất
lớn. Trong khi đó trong một hệ thống cấp nước cho khu dân cư loại nhỏ có phạm vi chiều
dài đường ống tối đa chỉ là 1 km thì có thể chấp nhận giá trị của TTAL đơn vị thậm chí có
thể đến 10 m/km.
Đối với các hệ thống tưới tự động, TTAL đơn vị cho phép phải được khống chế sao cho
đảm bảo yêu cầu chênh lệch lưu lượng tối đa so với lưu lượng thiết kế không vượt quá
10%.
Trong khi đó trong các hệ thống phun nước trang trí ở công viên, yêu cầu đồng đều về áp
lực giữa các vòi phun là rất quan trọng để đảm bảo tính mỹ thuật. Trong trường hợp này giá
trị của TTAL đơn vị thường bị khống chế trong khoaûng 0.5 - 1 m/km.
AWWA (American Water Work Association) đề nghị tiêu chuẩn sau đây:
- Ống nhỏ hơn 16 in. (450 mm) lấy giới hạn tối đa của tổn thất áp lực đơn vị là 10
m/km
- Ống lớn hơn 16 in. lấy giới hạn tối đa của tổn thất áp lực đơn vị là 1 – 3 m/km.
Trong thực tế, cũng có thể đánh giá sơ bộ theo tiêu chuẩn chênh lệch tối đa của áp lực
trong hệ thống không vượt quá 30 - 50% của áp lực yêu cầu tại khu vực nhận nước. Ví dụ
một hệ thống có áp lực yêu là 18m nên có tổng TTAL theo tuyến xa nhất nhỏ hơn 9m. Nếu
hệ thống này có chiều dài là 1 km, TTAL đơn vị có thể cho phép đến 9 m/km. Tuy nhiên
nếu hệ thống có quy mô lớn hơn, giá trị của TTAL đơn vị phải giảm xuống cho phù hợp.
Những phân tích trên đây chỉ có tính chất khuyến cáo sơ bộ, áp dụng cho giai đoạn thiết kế
sơ bộ. Để có thể chọn lựa được đường kính ống kinh tế, cần phải thông qua phân tích kinh
tế của toàn dự án.
TTAL đơn vị thay đổi theo nhu cầu nước của mạng. Tuy nhiên thời gian xảy ra giá trị cao
nhất thường xảy ra chung quanh giờ dùng nước cao điểm (chung quanh thời điểm Khmax)
để đánh giá. Chú ý do tính chất phân bố lại lưu lượng của mạch vòng và tác dụng cấp nước
bổ sung của đài nước nên TTAL đơn vị lớn nhất trong một đoạn ống không nhất thiết luôn
luôn xảy ra vào đúng vào giờ cao điểm.
Lưu ý quan trọng:
Việc hiệu chỉnh đường kính ống cần được tiến hành trước tiên sau khi chạy thử lần 1. Chỉ

sau khi đường ống đã được hiệu chỉnh tương đối hợp lý hãy tiếp tục những bước còn lại.
3.2

hiệu chỉnh thông số kỹ thuật của máy bơm

Trước khi chạy thử mô phỏng lần đầu tiên, ta có thể giả định sơ bộ các thông số kỹ thuật
của bơm như sau (đường cong bơm 1 điểm, xem lại hướng dẫn ở mục 1.6 ).
- Qbơm = ΣQ trung bình (BASE DEMAND) của các nút cấp nước. Đối với hệ thống lớn có
nhiều nút có thể dùng chức năng quan sát biểu đồ SYSTEM FLOW để ước tính nhanh tổng
lưu lượng trung bình của hệ thống.
- Hbơm = 1.3 – 1.5 lần áp lực yêu cầu cao nhất tại các nút.
25