1
10/14/2010 1
TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
Khoa KTXD - Bộ mơn KTTNN
PGS. TS. NGUYỄN THỐNG
E-mail: or
Web: //www4.hcmut.edu.vn/~nguyenthong
Tél. (08) 38 640 979 - 098 99 66 719
10/14/2010 2
NỘI DUNG MƠN HỌC
Chương 1. Chất lượng, ht. phân phối nước & thiết bị.
Chương 2. Quản lý cung - cầu trong cấp nước.
Chương 3. Mơ hình hố & thiết kế ht. cấp nước.
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước.
Chương 5: Nước va trong đường ống chảy có áp.
Chương 6. Quy hoạch hệ thống thóat nước.
Chương 7. Mơ hình hố & thiết kế ht. thốt nước.
Chương 8. Thốt nước vùng triều.
Chương 9. Quản lý vận hành ht. cấp và thốt nước.
Phần mềm SWMM & EPANET
MẠNG LƯỚI CẤP THỐT NƯƠ
Ù
C
10/14/2010 3
NỘI DUNG
Th
ực hành 1: Mơ hình dự báo nhu cầu
nước dùng với p/p Hồi quy tuyến tính
Thực hành 2: Mơ phỏng mạng lưới cấp
nước với EPANET.
Thực hành 3: Mơ phỏng mạng lưới thốt
nước với SWMM.
Thực hành 4: Mơ phỏng thủy lực với HEC-
RAS
MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC
Chương 1: Chất lượng, hệ thống phân phối & thiết bò
PGS. Dr. Nguyễn Thống
10/14/2010 4
CHƯƠNG 4
PHÂN TÍCH MẠNG LƯỚI CẤP NƯỚC
Mục đích:
• Tìm hiểu bản chất vật lý sự làm việc đồng
thời một hệ thống gồm nhiều loại công trình
(đường ống, bơm, đài nước, bể chứa,…).
• Xác đònh ‘vùng cấp nước’ của các nguồn khác
nhau trong hệ thống.
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
PGS. Dr. Nguyễn Thống
10/14/2010 5
HỆ THỐNG BƠM, ĐÀI NƯỚC VÀ ĐƯNG ỐNG
Trong mạng lưới cấp nước sự hoạt động đồng thời
của bơm, đài nước và hệ thống đường ống phải
thỏa mãn các quy luật hoạt động của các hạng
mục.
Đối với bơm, quan hệ giữa lưu lượng bơm hoạt động
và cột nước bơm tạo ra phải thỏa mãn đường cong
đặc tính của từng loại bơm.
Đối với đài nước, lưu lượng ra hay vào đài tùy thuộc
vào cột nước của đài và áp lực nước tại nút mạng
lưới nơi nối vào đài vào cùng thời điểm.
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
10/14/2010 6
ĐƯỜNG CONG ĐẶC TÍNH BƠM
PGS. Dr. Nguyễn Thống
H (m)
Q (m
3
/s)
H
tk
Q
tk
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
Quan hê Q=f(H)
xác định tư nha
SX bơm
0
H=33.3-20.84.10
-5
Q
2
EPANET H(m), Q(l/s)
2
10/14/2010 7
Trong đó Q
tk
và H
tk
chỉ lưu lượng và cột nước
thiết kế của bơm.
Khi hoạt động với các thông số thiết kế này
bơm sẽ có hiệu suất cao nhất.
Vì một lý do nào đó, bơm phải hoạt động trong
điều kiện khác giá trò thiết kế hiệu suất sẽ
giảm và sự giảm hiệu suất sẽ càng tăng khi
sự khác biệt càng lớn.
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
10/14/2010 8
HIỆU SUẤT BƠM
PGS. Dr. Nguyễn Thống
H
tk
Q (m
3
/s)Q
tk
H (m)
η
ηη
η
max
η
ηη
η
1
> η
ηη
η
2
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
0
10/14/2010 9
dh
0
Q
0
dh (m)
Q (m
3
/s)O
QUY LUẬT THỦY LỰC
Xet đoạn ống bất kỳ
Quan hệ giữa tổn thất năng
lượng dh (m) và lưu lượng đi qua Q(m
3
/s), một cách
tổng quát có dạng sau:
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
m
KQdh =
10/14/2010
10/14/2010
10
10
PHÂN T
PHÂN T
Í
Í
CH
CH
S
S
Ự
Ự
LA
LA
Ø
Ø
M VIE
M VIE
Ä
Ä
C
C
Đ
Đ
O
O
À
À
NG THƠ
NG THƠ
Ø
Ø
I CA
I CA
Ù
Ù
C
C
HA
HA
Ï
Ï
NG MU
NG MU
Ï
Ï
C TRONG
C TRONG
HE
HE
Ä
Ä
THO
THO
Á
Á
NG
NG
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
10/14/2010 11
TRƯỜNG HỢP 1 (BƠM+ỐNG+ðỊA HÌNH)
Xác định Q
0
Bơm sử dụng đã được xác đònh (biết đường cong
đặc tính bơm).
Đọan đường ống (ij) với đặc trưng hình học của
ống đã cho trước (chiều dài, đường kính, hệ số
nhám, quy luật tổn thất năng lượng).
Cuối đường ống dẫn đưa nước đến một cao trình h
j
đã biết (địa hình).
Xác đònh lưu lượng Q
0
qua ống.
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
10/14/2010 12
• Sơ đồ có thể mô tả như sau:
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
ðặc tính bơm
X
Mặt chuẩn
h
i
V
x
?
h
=f(Q)
Q
dh =g(Q)
h
dh
Q
x
0
(h địa hình)
H
Quy luật
thủy lực
3
10/14/2010 13
Giá trò lưu lượng qua ống (cũng là lưu lượng
bơm) xác đònh như sau:
Gọi Q
x
là lưu lượng giả đònh qua ống.
Từ quan hệ tổn thất năng lượng
tổn thất
năng lượng trong đường ống dh.
Ngòai ra, khi bơm hoạt động với lưu lượng Q
x
h của bơm từ đường cong đặc tính bơm.
Cột nước đo áp CÒN LẠI tại cuối đường ống:
h
x
= h – (dh+V
x
2
/2g)
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
10/14/2010 14
So sánh giá trò h
x
và h
j
(h địa hình):
nếu h
x
< h
j
(b
ơm THIẾU cột nước)
Q
x
sẽ giảm đến khi nào h
x
=h
j
.
nếu h
x
> h
j
(b
ơm THỪA cột nước)
Q
x
sẽ tăng đến khi nào h
x
=h
j
.
(Quá trình thay đổi Q
x
giá trò dh thay đổi
theo)
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
10/14/2010 15
Kết luận:
lưu lượng bơm không phải là giá trò áp
đặt “chủ quan” vào hệ thống.
kết quả từ sự cân bằng làm việc phối
hợp giữa đặc tính đường ống, bơm và
điều kiện “biên”.
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
10/14/2010 16
TRƯỜNG HỢP 2 (BƠM+ỐNG+Q
0
)
X
ác định h
i
• Giả thiết bơm sử dụng đã được xác đònh
(biết đường cong đặc tính bơm) và một đọan
đường ống (ij) với đặc trưng hình học của
ống đã cho trước (chiều dài, đường kính, hệ
số nhám, quy luật tổn thất năng lượng).
Đường ống tải lưu lượng thiết kế Q
0
cho
trước.
• Xác đònh cột nước h
i
.
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
10/14/2010 17
Giá trò cột nước đo áp sẽ được xác đònh
với giá trò duy nhất như sau:
Đường ống tải qua lưu lượng Q
0
tổn thất năng lượng xác đònh được dh
(theo đường quy luật thủy lực).
Khi bơm họat động với lưu lượng
Q
0
từ đường đặc tính bơm
h bơm.
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
10/14/2010 18
Cột nước đo áp tại cuối đường ống là:
h
j
= h – (dh+V
0
2
/2g) với V
0
=Q
0
/S trong đó S
là tiết diện đường ống.
Trên cơ sở lý luận này cho phép khảo sát sự
thay đổi cột nước đo áp tại cuối đường ống
khi lưu lượng lấy qua ống thay đổi.
• Ví dụ khi Q
0
tăng, ta thấy h sẽ giảm và dh
tăng do đó h
j
giảm (tốc độ giảm không phải
là tuyến tính).
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
4
10/14/2010 19
TRƯỜNG HỢP 3 (BƠM+ỐNG+z
ðÀI
)
• Khảo sát một hệ thống đơn giản gồm bơm X,
đài nước. Nối liền bơm và đài nước là một
đường ống với các thông số đã biết. Giả
thiết tại một thời điểm khảo sát mực nước
trong đài đã xác đònh H
đ
& V
x
đã biết.
• Xác đònh trạng thái nước ra (vào) đài và lưu
lượng bơm Q
b
.
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
10/14/2010 20
SƠ ðỒ HỆ THỐNG
PGS. Dr. Nguyễn Thống
Mặt chuẩn
Q
b
=?
H
d
Q
x
?
X
H
x
A
B
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
Q
đ
=?
10/14/2010 21
Giả thiết Q
bơm
H
bơm
Tính tổn thất dh
X-A
So sánh (H
bơm
- dh
X-A
) & H
đ
Trường hợp 1: (H
bơm
- dh
X-A
) > H
đ
N
ước vào đài.
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
10/14/2010 22
Có V
x
(Q
x
) tính năng lượng tại B:
E
B
= z+p/ρ
ρρ
ρg+V
x
2
/2g = H
x
+V
x
2
/2g
Tính E tại A
p
: E
A
p
.
E
A
p
= E
B
+dh
AB
So sánh E
A
p
và E
đ
, có 2 khả năng xảy ra:
Trường hợp 1: E
A
p
> E
đ
nước vào với lưu
lượng Q
đ
xác định như sau:
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
10/14/2010 23
Giả thiết giá trị Q
bơm
với Q
bơm
> Q
x
Tra quan hệ xác định H
bơm
Tính dh
X-A
Tính E
A
T
= H
bơm
- dh
X-A
Nếu E
A
T
> E
A
P
tăng Q
bơm
cho đến khi
E
A
T
= E
A
P
& Q
đài
= Q
bơm
– Q
x
Nếu E
A
T
< E
A
P
giảm Q
bơm
cho đến khi
E
A
T
= E
A
P
& Q
đài
= Q
bơm
- Q
x
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
10/14/2010 24
Trường hợp 2: E
A
p
< E
đ
nước ra với lưu
lượng Q
đ
xác định như sau:
Giả thiết giá trị Q
bơm
với Q
bơm
< Q
x
Tra quan hệ xác định H
bơm
Tính dh
X-A
Tính E
A
T
= H
bơm
- dh
X-A
Nếu E
A
T
> E
A
P
tăng Q
bơm
cho đến khi
E
A
T
= E
A
P
& Q
đài
= Q
bơm
- Q
x
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
5
10/14/2010 25
Với Q
x
đã xác đònh (V
x
biết), xác đònh dh
AB
cột nước đo áp tại A
p
là H
A
p
, thật vậy:
H
A
p
=(H
x
+V
0
2
/2g) +dh
AB
• So sánh H
A
và H
đ
có 2 khả năng xảy ra:
Nếu H
A
> H
đ
nước đi vào đài với lưu lïng Q
đ
như sau:
• Giả thiết giá trò Q
b
(với Q
b
> Q
x
)
h bơm &
tính tổn thất năng lượng trong đoạn ống từ X
đến A là dh
XA
.
• Từ đó: H
A
=h – (dh
XA
+V
0
2
/2g)
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
10/14/2010 26
• So sánh H
A
và H
A
(*) . Nếu H
A
>H
A
(*) tăng
giá trò giả thiết Q
b
và ngược lại. Chọn giá trò
Q
b
khi: H
A
= H
A
(*)
Lưu lượng nước đi vào đài là : Q
đ
=Q
b
–Q
x
.
Nếu H
A
< H
đ
nước đi ra khỏi đài Q
đ
xác
đònh như sau:
• Giả thiết giá trò Q
b
(với Q
b
< Q
x
)
h bơm &
tổn thất năng lượng trong đoạn ống từ X
đến A là dh
XA
.
• Từ đó: H
A
=h - dh
XA
+V
0
2
/2g)
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
10/14/2010 27
• So sánh H
A
và H
A
(*) .
Nếu H
A
> H
A
(*) tăng giá trò giả thiết Q
b
và ngược lại. Chọn giá trò Q
b
khi:
H
A
= H
A
(*)
Lưu lượng nước đi ra khỏi đài là :
Q
đ
=Q
x
- Q
b
.
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
10/14/2010 28
Nhận xét:
Lưu lượng của bơm không phụ thuộc
vào áp đặt “chủ quan” mà lưu lượng
bơm sẽ thay đổi theo từng tình huống cụ
thể của hệ thống.
Đây là điểm cần phải lưu ý khi mô
phỏng hệ thống mạng lưới cấp nước theo
thời gian sử dụng từ các phần mềm.
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
10/14/2010 29
BÀI TẬP
Trình bày phương pháp xác đònh phân phối lưu lượng
trong các ống của các mạng lưới sau. Giả thiết quy
luật thủy lực, thông số về đường ống và sơ đồ
mạng lưới đã biết.
PGS. Dr. Nguyễn Thống
1
2
3
4
1
2
3
Z
0
Z
1
Z
2
Z
3
(<Z
0
)
Z
4
(<Z
0
)
Q
3
=?
Q
4
=?
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
Mặt chuẩn
10/14/2010 30
Sơ đồ hệ thống
Bơm X biết đường đặc tính,
cao độ các nút và đặc trưng
hình học ống biết
PGS. Dr. Nguyễn Thống
Bơm X
Z
0
Z
1
Z
đ
Z
2
1
2
4
3
Q
4
Bể chứa
Đài nước
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
Tính Q
4
& Q trong
các đoạn ống ?
Mặt chuẩn
6
10/14/2010 31
LAN TRUYỀN CHẤT TRONG
MẠNG LƯỚI ĐƯỜNG ỐNG
Giới thiệu vấn đề:
- Xử lý hóa học nước cấp.
- Đánh giá khu vực phục vụ khác
nhau của hệ thống nhiều nhiều
nguồn cấp.
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
10/14/2010 32
Bài toán đặt ra nhằm giải quyết vấn đề khuếch tán
(số hạng « diffusion ») của chất khử trùng (ví dụ
clo) được đưa vào mạng lưới. Ngoài hệ phương
trình thủy lực giới thiệu trên, ta còn có phương
trình đối lưu (số hạng « advection ») của chất đưa
vào như sau:
PGS. Dr. Nguyễn Thống
( )
ij
ij
ij
ij
ijij
c
x
c
A
q
t
c
θ
+
∂
∂
−=
∂
∂
*
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
10/14/2010 33
trong đó:
• c
ij
: nồng độ chất khử trùng trong đoạn đường ống
(ij); được xem như là một hàm số theo khoảng cách
và thời gian; kg/m
3
.
• x
ij
: chiều dài dọc theo ống (ij).
• q
ij
: lưu lượng trong đường ống (ij).
• A
S
: tiết diện.
• tỷ lệ chất khử trùng trong đường ống (ij),
kg/m
3
/ngày.
PGS. Dr. Nguyễn Thống
(
)
txcc
ijijij
,=
(
)
ij
c
θ
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
10/14/2010 34
Phương pháp xác đònh c
ij
(t)
Dùng kết qủa bài toán thủy lực (q
ij
) đã biết,
thế vào phương trình trên (dạng sai phân)
để xác đònh C
ij
(t).
Phương trình sai phân áp dụng cho toàn bô
các đường ống và bổ sung các phương trình
biểu thò điều kiện bào toàn chất tại các điểm
nút mạng lưới cho phép nhận được số lượng
phương trình cần thiết để giải tìm các ẩn số.
Ví dụ áp dụng với phần mềm EPANET.
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
10/14/2010 35
BÀI TẬP
Cho mạng lưới sau. Giả thiết các đường ống
(1,2,12,13) có d=250mm, còn lại có d=200mm
và L=150m. Cao độ các nút mạng lưới là 0m.
Cao độ đáy đài nước 20m. Các điểm lấy
nước với lưu lượng trung bình q
tb
=25 l/s. Các
điểm lấy nước 2,3,4,5 có pattern N
1
là k=1,15
từ 6h, 20h và k=0 giờ còn lại. Các điểm lấy
nước 6,7,8,9 có pattern N
1
là k=1,2 từ 8h, 22h
và k=0 giờ còn lại. Nước được cấp từ 2 nút
như sơ đồvới 2 bơm A(Q=20l/s, H=30m) và
B(Q=100l/s, H=25m).
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
10/14/2010 36
SƠ ðỒ MẠNG LƯỚI
PGS. Dr. Nguyễn Thống
1
2 3 4 5
6
7 8 9 10
1
2
3
4
5
7
6
8
9
11
10
13
12
A
B
Đài nước
Tìm ranh giới nước cấp (gần đúng)
vào lúc 10h và 20h.
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước
7
10/14/2010
10/14/2010
37
37
HE
HE
T CH
T CH
ệ
ệ
ễNG 4
ễNG 4
PGS. Dr. Nguyn Thng
MA
ẽ
NG L
ệ
ễ
I CA
P THOA
T N
ệ
ễ
C
Chửụng 4: Phaõn tớch maùng lửụựi caỏp nửụực