Bài giảng Tin học ứng dụng trong cấp thoát nước

27/01/2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
Khoa Kỹ thuật tài nguyên nước
Bộ mơn Cấp thốt nước

TIN HỌC ỨNG DỤNG TRONG
CẤP THỐT NƯỚC
Giảng viên: Nguyễn Thế Anh
Đặng Minh Hải
Email:
ĐT: 0983 469 383
1

MẠNG LƯỚI ĐƯỜNG ỐNG CẤP NƯỚC

PHÂN TÍCH MƠ PHỎNG MLCN BẰNG
CHƯƠNG TRÌNH EPANET

1


27/01/2022

C1. Giới thiệu Epanet
1.1. Khái niệm:
- EPANET là chương trình tính tốn MLCN, có khả năng mơ phỏng thuỷ lực và chất
lượng nước theo thời gian. EPANET mô phỏng mạng lưới cấp nước bao gồm các
đoạn ống, các nút, ...
- EPANET chạy trên nền Windows, tạo được một môi trường thân thiện, quan sát
kết quả theo nhiều cách khác nhau.

1.2. Khả năng mơ phỏng thuỷ lực (Hydraulic Modeling Capabilities)
- Có thể phân tích được mạng lưới cấp nước khơng giới hạn về quy mơ.
- Tính tốn 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,....
- Mơ hình hố máy bơm với số vòng quay cố định hoặc thay đổi.
- Tính được năng lượng bơm và giá thành bơm nước.
- Mơ 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).

C1. Giới thiệu Epanet
1.2. Khả năng mô phỏng thuỷ lực (Hydraulic Modeling Capabilities)
- Cho phép mơ 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.
- Mơ hình hố lưu lượng dịng 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)
- Mơ hình hố sự chuyển động của chất khơng phản ứng trong mạng.
- Mơ hình hố 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.
- Mơ hình hố thời gian lưu nước trong khắp mạng.
- …..

2


27/01/2022

C1. Giới thiệu Epanet
1.4. Các bước sử dụng EPANET (Steps in Using EPANET)
(1) Vẽ sơ đồ biểu diễn mạng cấp nước (Adding Objects).
(2) Biên tập các thuộc tính của các đối tượng của mạng (Editing Objects).
(3) Mô tả hệ thống làm việc như thế nào: các đường quan hệ (Curves), các mẫu
hình thời gian (Time Patterns), các lệnh điều khiển (Controls).
(4) Chọn các chức năng phân tích (Setting Analysis Options) để đặt các thuộc tính
cho các đối tượng về các mặt: thuỷ lực, chất lượng, phản ứng, thời gian, năng
lượng,...
(5) Chạy chương trình để phân tích thuỷ lực hoặc chất lượng nước (Running an
Analysis).
(6) Xem kết quả (Viewing Results).

C2. KHÔNG GIAN LÀM ViỆC CỦA EPANET

3


27/01/2022

C2. KHÔNG GIAN LÀM ViỆC CỦA EPANET
* Thanh Menu
* Các thanh công cụ
- Standart Toolbar

Mở một Project mới (File >> New)
Mở một Project đang có (File >> Open)
Lưu Project hiện tại (File >> Save)
In một của sổ hiện hành (File >> Print)
Copy lựa chọn và clipboard hoặc vào một file (Edit >> Copy To)
Xố một mục đang chọn
Tìm một mục (đối tượng) trên bản đồ (View >> Find)
Chạy mô phỏng (Project >> Run Analysis)
Chạy một truy vấn hiển thị trên bản đồ (View >> Query)
Tạo một đồ thị mới để xem kết quả (Report >> Graph)
Tạo một bảng mới để xem kết quả (Report >> Table)
Sửa chữa các lựa chọn cho kết quả đang xem (View >> Options
or Report >> Options)

C2. KHÔNG GIAN LÀM ViỆC CỦA EPANET
* Thanh Menu
* Các thanh công cụ
- Map Toolbar
Chọn một đối tượng trên bản đồ (Edit >> Select Object)
Chọn các đỉnh của đường nối gấp khúc (Edit >> Select Vertex)
Chon một vùng trên bản đồ (Edit >> Select Region)
Di chuyển bản đồ (View >> Pan)
Phóng to bản đồ (View >> Zoom In)
Thu nhỏ bản đồ (View >> Zoom Out)
Xem bản đồ với phạm vi toàn bộ (View >> Full Extent)
Thêm một mối nối lên bản đồ
Thêm bể chứa lên bản đồ
Thêm một đài nước lên bản đồ
Thêm một ống lên bản đồ
Thêm một máy bơm lên bản đồ

Thêm một van lên bản đồ
Thêm một nhãn lên bản đồ

4


27/01/2022

C2. KHÔNG GIAN LÀM ViỆC CỦA EPANET
* Thanh trạng thái
* Bản đồ mạng lưới
* Data Browser
- Đây là một cửa sổ hết sức quan trọng, được truy xuất từ Bảng Data trên của sổ
Browser. Nó cho phép truy cập nhiều đối tượng khác nhau: ống, nút, bơm, lệnh
điều khiển, tùy chọn (Option), …

C2. KHÔNG GIAN LÀM ViỆC CỦA EPANET
* Map Browser
- xem bản đồ mã màu của mạng lưới cùng các thông số của các thành phần của
mạng, điều khiển để kích hoạt bản đồ theo thời gian.

* Property Editor
Property Editor được sử dụng để sửa đổi các thuộc tích các mối nối, đường nối,
nhãn và lựa chọn phân tích

5


27/01/2022

C3. MƠ HÌNH MẠNG LƯỚI
3.1. Các thành phần vật lý của mạng lưới (Physical Components)
- EPANET mơ hình hố HTPP 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.

- Các mối nối (Junctions)
Các số liệu đầu vào:
+ Cao trình của mối nối
+ Lưu lượng yêu cầu (lưu lượng nước lấy ra khỏi mạng);
+ Chất lượng nước ban đầu.
Các kết quả đầu ra:
+ Cột nước (năng lượng trên một đơn vị trọng lượng chất lỏng);
+ Áp suất;
+ Chất lượng nước.

C3. MƠ HÌNH MẠNG LƯỚI
3.1. Các thành phần vật lý của mạng lưới (Physical Components)
- Bể chứa (Reservoirs)
- Đài nước (Tanks)
Các thuộc tính đầu vào:
+ Độ cao đáy
+ Đường kính (hay hình dạng nếu khơng phải là hình trụ);
+ Mực nước ban đầu, mực nước thấp nhất và mực nước cao nhất;
+ Chất lượng ban đầu.
- Các ống (Pipes)
Các thông số thuỷ lực đầu vào:
+ Nút đầu và nút cuối;
+ Đường kính ống;
+ Chiều dài;

+ Hệ số nhám;
+ Trạng thái (mở, đóng hoặc có van).
Kết quả tính tốn:
+ 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).

6


27/01/2022

C3. MƠ HÌNH MẠNG LƯỚI
3.1. Các thành phần vật lý của mạng lưới (Physical Components)
-Các ống (Pipes)
Hazen-Williams

Darcy-Weisbach

Manning's

C

e

n

(không thứ nguyên)

(millifeet)

(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
0,011 - 0,015

Vật liệu làm ống

Nhựa

140 - 150

0,005

Thép

140 - 150

0,15

Gốm tráng men

110

0,015 - 0,017
0,013 - 0,015

- Máy bơm
Các thông số đầu vào cơ bản: nút đầu và nút cuối, đường đặc tính
- Van (Valves)

C3. MƠ HÌNH MẠNG LƯỚI
3.2. Các thành phần khơng vật lý (Non-Physical Components)
- Đường cong (Curve)
+ Đường cong máy bơm

Đường cong máy bơm biểu diễn quan hệ giữa lưu lượng và cột nước máy bơm.
Trục hồnh biểu diễn lưu lượng, cịn trục tung biểu diễn cột nước (H~Q).
+ Đường cong hiệu suất
+ Đường cong dung tích
+ Đường cong tổn thất cột nước.

7


27/01/2022

C3. MƠ HÌNH MẠNG LƯỚI
3.2. Các thành phần khơng vật lý (Non-Physical Components)
- Các mẫu hình thời gian (Time Patterns)
- Lệnh điều khiển (Controle)
3.3. Mô phỏng thuỷ lực (Hydraulic Simulation Model)
- tính tốn 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.
3.4. Mơ hình mơ phỏng chất lượng nước (Water Quality Simulation Model)

C4. LÀM ViỆC VỚI CÁC ĐỐI TƯỢNG
4.1. Các loại đối tượng
- Nút (Nodes)
Mối nối (Junctions)
Bể chứa (Reservoirs)
Bể điều tiết (Tanks)
- Đường nối (Links)
Ống (Pipes)
Bơm (Pumps)

Van (Valves)
- Nhãn của bản đồ (Map Labels)
- Biểu đồ theo thời gian (Time Patterns)
- Đường cong (Curves)
- Lệnh điều khiển (Controls)
Lệnh đơn (Simple)
Lệnh có quy tắc (Rule-Based)

8


27/01/2022

C4. LÀM ViỆC VỚI CÁC ĐỐI TƯỢNG
4.2. Soạn thảo các đối tượng
* Các thuộc tính Mối nối (Junction Properties)
+ Junction ID: nhãn của mối nối
+ Elevation: Cao trình mối nối
+ Base Demand: Nhu cầu nước trung bình
+…
* Các thuộc tính Bể chứa (Reservoir Properties)
+ Reservoir ID
+ Total Head: Cột nước (cao trình + cột nước áp suất) của nước trong bể chứa
+…
* Các thuộc tính Đài nước (Tank Properties)
+ Elevation
+ Intial Level: Độ sâu của nước trong đài nước tại thời điểm bắt đầu mô phỏng
+ Minimun Level
+ Maximun Level
+ Diameter

+…
* Các thuộc tính Ống (Pipe Properties)
+ Lengh
+ Diameter
+ Roughness

C4. LÀM ViỆC VỚI CÁC ĐỐI TƯỢNG
4.2. Soạn thảo các đối tượng
* Các thuộc tính Máy bơm (Pump Properties)
+ Pump Curve: đường đặc tính bơm mơ tả quan hệ giữa cột nước tạo ra bởi máy
bơm và lưu lượng qua máy
+…
* Các thuộc tính Van (Valves)
4.3. Soạn thảo các đối tượng khơng nhìn thấy trên bản đồ
+ Đường cong (Curves Editor)
+ Mẫu hình thời gian (Time Patterns Editor)
+ Lệnh điều khiển (Controls Editor)
+ Nhu cầu nước (Demand Editor)
+ Chất lượng nước nguồn (Source Quality Editor)
4.4. Copy và dán đối tượng (Copying and Pasting Objects)
4.5. Chỉnh hình và đảo chiều đường nối (Shaping and Reversing Links)
4.6. Xoá một đối tượng (Deleting an Object)
4.7. Di chuyển một đối tượng (Moving an Object)
4.8. Chọn một nhóm đối tượng (Selecting a Group of Objects)
4.9. Sửa một nhóm đối tượng (Editing a Group of Objects)

9


27/01/2022

C5. HƯỚNG DẪN NHANH CÁCH SỬ DỤNG EPANET
5.1. Mạng lưới ví dụ (Example Network)

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.

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

C5. HƯỚNG DẪN NHANH CÁCH SỬ DỤNG EPANET
5.1. Mạng lưới ví dụ (Example Network)
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

5.2. Thiết lập bản vẽ (Project Setup)
- tạo ra một bản vẽ hệ thống (Project)
Project >> Defaults

10


27/01/2022

C5. HƯỚNG DẪN NHANH CÁCH SỬ DỤNG EPANET
5.2. Thiết lập bản vẽ (Project Setup)

- tạo ra một bản vẽ hệ thống (Project)
Project >> Defaults
- chọn vài chức năng hiển thị sơ đồ mạng lưới
View >> Options

5.3. Vẽ mạng lưới cấp nước (Drawing the Network)

C5. HƯỚNG DẪN NHANH CÁCH SỬ DỤNG EPANET
5.3. Vẽ mạng lưới cấp nước (Drawing the Network)

5.4. Định các thuộc tính của đối tượng (Setting Object Properties)
- chọn đối tượng vào Property Editor
+ Nhấp đúp vào đối tượng trên bản đồ.
+ Nhấp nút phải chuột lên đối tượng và chọn
+ Chọn đối tượng từ trang Data của cửa sổ Browser rồi nhấp nút Browser’s Edit .

11


27/01/2022

C5. HƯỚNG DẪN NHANH CÁCH SỬ DỤNG EPANET
5.4. Định các thuộc tính của đối tượng (Setting Object Properties)
- Đối với bể chứa, nhập cao độ của nó (210) trong ơ 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. Nhập nhãn ID 1
trong ô Pump Curve.

C5. HƯỚNG DẪN NHANH CÁCH SỬ DỤNG EPANET

5.5. Lưu và mở bản vẽ (Saving and Opening Projects)
File chọn Save as
5.6. Chạy mơ hình mơ phỏng một thời đoạn
Project >> Run Analysis

5.7. Chạy mơ hình mô phỏng theo thời gian (Running an Extended Period
Analysis)
5.8. Chạy một phép phân tích chất lượng nước (Running a Water Quality
Analysis)

12


27/01/2022

C6. XEM KẾT QUẢ
C7. IN VÀ COPY
C8. XUẤT VÀ NHẬP
8.1. Các chức năng xuất và nhập
8.2. Cách nhập sơ đồ mạng lưới cấp nước từ bản vẽ CAD
* Bước 1. Tạo file ảnh
Có bản vẽ sơ đồ mạng lưới dưới dạng CAD.
Bật chương trình chuyển đổi hình vẽ CAD sang Picture (có thể dùng BWM
hoặc một chương trình khác).
Bật chương trình xử lý ảnh (Paint, Microsoft Photo Editor, Photoshop...).
Copy bản vẽ CAD vào clipboard.
Dán sang Paint (hoặc Microsoft Photo Editor, Photoshop...).
Lưu (Save) dưới dạng file bitmap (*.bmp).
* Bước 2. Nhập file ảnh làm nền để vẽ sơ đồ mạng lưới cho EPANET
Vào chức năng View >> Backdrop >> Load.

Hiện ra cửa sổ Open a Backdrop Map.
Chỉ đường dẫn tới thư mục chứa file ảnh cần tìm và mở file (Open).
Nền ảnh sẽ hiện ra.
Vẽ theo hình dưới nền để tạo sơ đồ mạng lưới bằng EPANET.

13


GIỚI THIỆU MƠ HÌNH QUẢN LÝ NƯỚC
MƯA SWMM
(Storm Water Management Model)


SWMM là gì?

Mơ hình quản lý nước mưa (Storm Water Management Model-SWMM)
là mơ hình mơ phỏng mưa-dịng chảy, được sử dụng để mô phỏng lưu
lượng và chất lượng nước từ trận mưa thời đoạn ngắn hoặc toàn liệt thời
đoạn dài cho các khu vực đô thị.

3


Lịch sử phát triển
Phiên bản
SWMM I

SWMM II

Năm

1971 Metcalf & Eddy, Inc.
Water Resources
Engineers University of
Florida
1975 University of Florida

SWMM 3

1981 University of Florida
Camp Dresser & McKee

SWMM 3.3

1983 EPA

SWMM 4

1988 Oregon State University
Camp Dresser & McKee

SWMM 5

2005 EPA
CDM

SWMM5-LID

2010 EPA

Ghi chú

Phiên bản SWMM đầu tiên; tập trung mô
phỏng CSO; một số phương pháp của
phiên bản này vẫn được sử dụng cho đến
nay.
Phiên bản SWMM đầu tiên được phân phối
rộng rãi.
Diễn tốn dịng chảy sóng động lực học
đầy đủ, mơ hình thấm Green-Ampt, mơ
hình tuyết tan và mô phỏng liên thời đoạn
dài được bổ sung.
Phiên bản SWMM đầu tiên dùng cho máy tính
để bàn.
Nước ngầm, RDII, mặt cắt ngang lòng
dẫn tự nhiên và một số tinh chỉnh khác
được bổ sung.
Viết lại toàn bộ code của SWMM bằng
ngôn ngữ C; giao diện người dùng được
thêm vào; thuật tốn được cải tiến và một
số tiện ích khác được bổ sung.
Bổ sung mơ phỏng các cơng trình LID.

3


Các q trình mơ phỏng trong
mơ hình SWMM
Mưa

Tuyết tan

Tích luỹ
ơ nhiễm

Dịng
chảy mặt

Dịng chảy tràn

Rửa trơi ơ nhiễm

Kiểm sốt LID

Bốc hơi/
Thấm

Nước ngầm
Nước
thải

Diễn tốn dịng chảy
trong kênh, ống và
hồ chứa

Xử lý/ Phân dòng

RDII

4

Đặc trưng mơ phỏng thuỷ văn

•
•
•
•
•
•
•

Mưa biến đổi theo khơng gian và thời gian

•

Làm chậm và trữ nước mưa /dịng chảy bằng các cơng
trình thốt nước bền vững khác nhau (LID)

Bốc hơi mặt nước
Tích luỹ và tan tuyết
Trữ nước mưa vào chỗ trũng

Thấm vào các lớp đất
Dòng chảy giữa nước ngầm và hệ thống thốt nước
Diễn tốn dịng chảy tràn theo phương pháp hồ chứa phi
tuyến

5


Đặc Trưng Mơ Phỏng Thuỷ Lực

•
•
•
•
•
•

Có thể mơ phỏng mạng lưới thốt nước có quy mơ
khơng giới hạn
Sử dụng nhiều dạng mặt cắt của đường ống cũng như
là kênh dẫn
Mô phỏng các thành phần của mạng lưới thoát nước:
bơm, tràn, phân dịng, cống, hồ chứa
Người dùng có thể nhập q trình chất lượng nước,
dịng chảy, nước ngầm, RDII, nước thải...
Mơ phỏng quy trình vận hành của các cơng
trình điều tiết, trạm bơm
Mơ phỏng các chế độ dịng chảy khác nhau như nước
vật, nước tràn, dịng chảy ngược, và hình thành ao
nước trên đỉnh các nút
6


Đặc Trưng Mơ Phỏng Chất Lượng Nước

•

•
•

•

Tích luỹ chất ơ nhiễm trên các loại bề mặt sử dụng đất
khác nhau
Đóng góp chất ơ nhiễm từ lượng nước mưa tích luỹ
Giảm tích luỹ chất ơ nhiễm do vệ sinh đường phố
Giảm rửa trơi chất ơ nhiễm thơng qua các giải pháp
BMPs

•

Tải lượng ơ nhiễm từ dịng chảy nước thải hoặc các
nguồn khác dược xác định bởi người sử dụng

•

Diễn tốn chất lượng nước thơng qua mạng lưới
thốt nước

•

Các hàm xử lý được định nghĩa bởi người sử dụng
7


Ứng Dụng Điển Hình Của Mơ Hình S W M M

•

Thiết kế và xác định kích thước các thành phần

trong hệ thống thốt nước

•

Kiểm sốt dịng chảy tràn trong hệ thống thốt
nước thải và hệ thống thốt nước chung

•

Mơ phỏng dịng vào trong hệ thống thốt
nước thải

•

Nghiên cứu phân bố tải lượng ơ nhiễm phân
tán

•

Đánh giá hiệu quả của các giải pháp thoát nước bền
vững cho mục tiêu phát triển bền vững

•

Xây dựng bản đồ ngập lụt cho hệ thống kênh tự nhiên
8


Cấu Trúc Của Mơ Hình SWMM

9


Cấu Trúc Của Mơ Hình SWMM

10


Rain Gage Objects- Mưa

•
•

Cung cấp dữ liệu mưa cho các tiểu lưu vực
Quá trình mưa được định nghĩa bởi người dùng hoặc từ
các file bên ngồi

•
•

Mơ phỏng mưa trận hoặc mơ phỏng tồn liệt

•

Thơng số đầu vào chủ yếu
–
–
–
–

Kiểu dữ liệu mưa (e.g., intensity, volume, or cumulative volume)
Thời đoạn mưa (e.g., hourly, 15-minute)
Nguồn dữ liệu mưa
Tên của nguồn dữ liệu mưa

Tuyết tan được xác định bởi khoảng nhiệt độ được chia bởi
người sử dụng
– Dữ liệu nhiệt độ do người sử dụng định nghĩa hoặc từ file dữ liệu
khí hậu
11


Cấu Trúc Của Mơ Hình SWMM

12