Bài giảng Mạng lưới cấp thoát nước: Chương 8 - PGS.TS. Nguyễn Thống

MẠNG LƯỚI CẤP THỐT NƯƠÙC

TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM

NỘI DUNG MƠN HỌC

Khoa KTXD - Bộ mơn KTTNN

PGS. TS. NGUYỄN THỐNG
E-mail: or

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

Web: //www4.hcmut.edu.vn/~nguyenthong
10/14/2010

Tél. (08) 38 640 979 - 098 99 66 719

1

10/14/2010

MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

Chương 1: Chất lượng, hệ thống phân phối & thiết bò

NỘI DUNG
Thực 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 HECRAS
10/14/2010

3

PGS. Dr. Nguyễn Thống

2

Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

GIỚI THIỆU
• Khi thiết kế hệ thống thoát nước trong
những vùng gần biển sông suối nhận nước
thoát có thể bò ảnh hưởng của thủy triều.
Trong trường hợp này, vấn đề đánh giá khả
năng tháo nước của hệ thống cống thoát sẽ

phụ thuộc vào mực nước thay đổi theo thời
gian tại các vò trí sông rạch tiếp nhận nước
thoát.
10/14/2010

4

PGS. Dr. Nguyễn Thống

MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

GIỚI THIỆU
Lý thuyết dòng chảy không ổn
đònh trong tính toán thủy lực.
Phương trình dạng sóng
khuyếch tán.
Phương trình Saint Venant.
10/14/2010

PGS. Dr. Nguyễn Thống

5

PHƯƠNG TRÌNH

ðỘNG LỰC

10/14/2010

6

PGS. Dr. Nguyễn Thống

1


MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

Phương trình dòng chảy hở 1D trong lòng dẫn
thay đổi dần được trình bày một cách tổng
quát bởi phương trình sau:
∂Q ∂  Q 2 
∂h
+ 
 + gA + gA( S f − S0 ) = 0
∂t ∂x  A 
∂x
Mô hình sóng động học
Mô hình sóng khuyếch tán

10/14/2010

Mô hình dòng không ổn đònh
7

PGS. Dr. Nguyễn Thống

Phương trình trên còn có thể viết dưới dạng:

∂Q ∂  Q 2
+ 
∂t ∂x  A


 ∂Z

 + gA
+ Sf =0
∂
x




h:
chiều sâu nước tại mặt cắt x
Z=h+a: cao độ mực nước tại mặt cắt x
a:
cao độ đáy mặt cắt
A : diện tích ứơt

Q : lưu lượng qua diện tích A
Sf: độ dốc thủy lực
10/14/2010
S0: độ
dốc đáThống
y (-dE/dl; E năng lượng, dl chiều dài)
PGS.
Dr. Nguyễn

MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

8

Phương trình liên tục:

∂Q ∂A
+
=q
∂x ∂t

PHƯƠNG TRÌNH
LIÊN TỤC

hay

∂Q
∂Z
+b
=q
∂x
∂t

q : lưu lượng đơn vò bổ sung dọc tuyến
b : chiều rộng mặt thoáng
Z : cao trình mực nước

10/14/2010
10/14/2010
PGS.
Dr. Nguyễn Thống

9

10

PGS. Dr. Nguyễn Thống

MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

• Trong trường hợp dòng chảy biến đổi chậm
cho các vùng chòu ảnh hưởng triều như Tp.
Hồ Chí Minh và các vùng lân cận, mô hình
toán dạng sóng khuyếch tán có thể ứng
dụng.
• Ngoài ra, với dạng mô hình này, phương
trình toán và phương pháp giải sẽ tương đối
đơn giản. Hệ phương trình động lực và liên
tục cho mô hình này như sau :

MƠ HÌNH SĨNG
KHUYẾCH TÁN

10/14/2010
10/14/2010
PGS.
Dr. Nguyễn Thống

11

12

PGS. Dr. Nguyễn Thống

2


MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

∂Z
+ Sf = 0
∂x

PHƯƠNG TRÌNH STRICKLER

∂Q
∂Z
+b
=q
∂x
∂t

và

Ngoài ra, để giải được hệ phương trình
trên chúng ta còn phải bổ sung quy luật
tổn thất năng lượng dòng chảy.
Một trong những quy luật sử dụng phổ
biến nhất theo Strickler có dạng sau :
10/14/2010

13

PGS. Dr. Nguyễn Thống

Sf =

D = k str h 5 / 3b k str = a1/ 6

QQ
D2

d

kstr : hệ số Strickler
d : đường kính hạt cát tạo lòng sông (m)
a =(21-24), hệ số phụ thuộc vào d

10/14/2010

14

PGS. Dr. Nguyễn Thống

MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

PHƯƠNG PHÁP GIAI (sơ đơ ẩn)

Sơ đồ mạng lưới sai phân
• Mạng lưới sử dụng dạng so le. Vò trí xác đònh
cao trình mực nước (Z) tạo thành một lưới,
vò trí ở đó lưu lượng (Q), đặc trưng mặt cắt
(b,ω
ω) được tính tạo thành một mạng lưới
riêng, sẽ bố trí so le với lưới tính Z.
Zi

Zj
Qi

10/14/2010

PGS. Dr. Nguyễn Thống

SƠ ðỒ SAI PHÂN PREISSMANN

∂f 1  f i t++11 − f i t+1 f i t +1 − f i t 

= 
+

∂t 2 
∆t
∆t


f t +1 − f i t +1
f t − f it

∂f
= θ i +1
+ (1 − θ ) i +1
∂x
∆x
∆x
f ( x, t ) =

Zk
Qj

θ

(f
2

t +1
i +1

với
Qk

15

)

+ f i t +1 +

1−θ t
f i +1 + f i t

2

(

0.5 ≤ θ ≤ 1

10/14/2010

PGS. Dr. Nguyễn Thống

)
16

MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

PHưƠNG TRÌNH SAI PHÂN SÓNG KHUYẾCH TÁN

ĐIỀU KIỆN TI NÚT MNG LƯỚI, ðIỀU KIỆN BIÊN
Điều kiện liên tục tại nút mạng lưới : Tại vò trí hội tụ của
các nhánh (>2 nhánh), phương trình liên tục có dạng
sau đây sẽ được thay thế cho phương trình động lực :

−∆t.θ .αmt +1Zkt +1 +  ∆xi .σ i + ∆t.θ .αnt +1 + ∆t.θ .αmt +1  Zit +1 − ∆t.θ .αnt +1Z tj+1 =
∆xi .σ i .Z it − ∆t * (1 − θ ) * α nt ( Z it − Z tj ) − α mt ( Z kt − Z it )  + qi .∆t.∆xi

hay
với

t +1
k

t +1
i

N

∑Q

t +1
j

F (Z , Z , Z ) = 0
αn =

Dn
 ∆xn Z i − Z j 



10/14/2010

PGS. Dr. Nguyễn Thống

0.5

Dn =

i =1

i

=0
Nút hội tụ mạng lưới

σ i = θ * bit +1 + (1 − θ ) * bit
(21 ÷ 24) 5 / 3
hn bn
d 1/ 6

Tổng các nhánh hội tụ

θ ∑ α ( p )t +1 ( Z kt +1 − Z it +1 ) = − (1 − θ ) ∑ α ( p )t ( Z kt − Z it )
17

10/14/2010

18

PGS. Dr. Nguyễn Thống

3


MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

ðIỀU KIỆN ðẶC BIỆT
Trong trường hợp dòng chảy đi qua các
dạng công trình : cống làm việc theo 1
hoặc 2 chiều, đập tràn, đập ngăn …
phương trình động lực Saint Venant
sẽ được thay thế bởi phương trình biểu
diễn quy luật thủy lực thích hợp tương
ứng.
10/14/2010

19

PGS. Dr. Nguyễn Thống

ðIỀU KIỆN BIÊN
Mô hình được thiết lập cho phép
mô tả các điều kiện biên :
Loại mực nước (Z)
Loại lưu lượng (Q) dể dàng.
10/14/2010

20

PGS. Dr. Nguyễn Thống

MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

Phương trình liên tục :

DỊNG KHƠNG ỔN ðỊNH VỚI
PHƯƠNG TRÌNH ðẤY ðỦ
SAINT VENANT

Phương trình động lực:

B

∂Z ∂Q
+
=q
∂t ∂x

QQ
∂Q ∂  2Q ∂Q Q 2 ∂A 
∂Z
+  .
− 2 .  + gA

+g 2
=0
∂t ∂x  A ∂x A ∂x 
∂x
C AR

C = R1/ 6 / n
10/14/2010
10/14/2010
PGS.
Dr. Nguyễn Thống

21

22

PGS. Dr. Nguyễn Thống

MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

MẠNG LƯỚI KHÔNG GIAN 1D
(Qbien)
Vò trí xác đònh
ẩn số bài toán

Phương trình liên tục dạng sai phân:
(Hbien)

(Qi,Zi)
dxi


∆x  t
dBt
dBt
Bi +1 + Bit +ψ B ( i+1 ∆Z it +1 + i ∆Z it ) 

4 
dZ
dZ


a 2 = θ Q ∆t

Chú ý có sự khác nhau về sơ đồ sai phân không gian
so với t/h trước.
10/14/2010

Với:

a1 =
(Hbien)

PGS. Dr. Nguyễn Thống

a1∆Z ti +1 − a2 ∆Q it +1 + a1∆Z it ++11 + a2 ∆Q it ++11 = a3

23

a3 = −∆t(Q it +1 − Q it ) + ∆x.∆t ψ q q t +1 + (1 −ψ q )q t 
10/14/2010

24

PGS. Dr. Nguyễn Thống

4


MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

Phương trình động lực dạng sai phân:

b1∆Z
Với:

t +1
i

+ b 2 ∆Q

t +1
i

+ b 3 ∆Z

t +1
i +1

+ b 4 ∆Q

t +1
i +1

= b5

b4 =

b 5 = −2∆t.U(Qit+1 − Qit ) + ∆t.U 2 B( Zit+1 − Zit )

b1 = ∆t.U B.θ Z − gA.∆t.θ Z
2

− g∆t.A ( Zit+1 − Zit ) − g∆t.∆xD (Q it+1 − Q it )

∆x
b2 =
− 2∆t.U.θ Q + g.∆t.∆x.Dψ Q

2

D=

b3 = −∆t.U 2 B.θ Z + gA.∆t.θ Z
10/14/2010

∆x
+ 2 ∆t.U.θ Q + g.∆t.∆x.Dψ Q
2

25

n 2  0.5( χ it+1 + χ it )4 / 3 

10/14/2010

PGS. Dr. Nguyễn Thống

4  0.5(A ti +1 + A ti )7 / 3 

. Q ti +1 + Q ti
26

PGS. Dr. Nguyễn Thống

MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC

Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

BÀI TẬP
Thiết lập sơ đồ khối để
giải bài toán 1D (sóng
khuyếch tán & Saint
Venant).

Điều kiện tại nút hội tụ nhiều nhánh
(N>2) của mạng lưới
Cao trình mực nước tại các mặt cắt hội tụ về
nút là bằng nhau.
t +1
t +1

∆Z k = ∆Z p

Tổng lưu lượng nước hội tụ về nút :
N

∑ ∆Q
k =1

t +1
k

=0

Chú ý: Tại nút hội tụ N nhánh sẽ thiết lập được N
10/14/2010
27
phương trình.

10/14/2010

PGS. Dr. Nguyễn Thống

28

PGS. Dr. Nguyễn Thống

MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC
Chương 8 : Dòng khơng ổn định 1D.

10/14/2010

29

PGS. Dr. Nguyễn Thống

5