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

Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
PGS. Dr. Nguyễn Thống
10/14/2010
10/14/2010
5
5
MÔ HÌNH HOA
MÔ HÌNH HOA
Ù
Ù
HE
HE
Ä
Ä
THO
THO
Á
Á
NG
NG
PHÂN PHO
PHÂN PHO
Á
Á
I N
I N
Ư
Ư
Ơ
Ơ

- Quan sát chất lượng;
- Quản lý năng lượng;
- Thiết kế hệ thống;
- Nhu cầu vận hành, ứng phó & xử lý sự cố hàng ngày.
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
2
10/14/2010 7
Quy hoạch tổng thể dài hạn:
Xác đònh các dự án phát triển chính để đảm
bảo chất lượng phục vụ tương lai.
 Nhận ra các vùng có nguy cơ ’tiềm ẩn’ (áp
suất thấp, chất lượng nước,…).
 Xác đònh quy mô và vò trí đường ống chuyển
nước, trạm bơm, công trình trữ nước để ‘đảm

Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
10/14/2010 9
Theo dõi chất lượng nước:
 Mô hình mô phỏng có thể mô phỏng: tuổi
nước, chất đánh dấu nguồn, phân bố nồng độ
hoá chất (ví dụ Clo dư).
Quản lý năng lượng:
Ngoài chi phí bảo dưỡng và sửa chữa hạ tầng,
chi phí năng lượng bơm & quản lý chiếm tỷ lệ
lớn.


 Mô phỏng thủy lực cho phép đánh giá hiệu
quả tiêu thụ năng lượng bơm (hiệu suất chạy
của bơm).
PGS. Dr. Nguyễn Thống

Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
10/14/2010 11
THỂ HIỆN MÔ HÌNH CẤP NƯỚC
- Bể chứa.
Trong mô hình được thể hiện bằng một nút ở
biên.
Xem đó là nguồn nước cấp ‘vô hạn’ cho hệ
thống.
Trong mô hình hoá mạng lưới dùng để mô tả:
 ao giếng nước ngầm.
 bể chứa nước sạch sau trạm xử lý của bơm
cấp 1.
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù

I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
3
10/14/2010 13
THÔNG SỐ MÔ PHỎNG ĐÀI NƯỚC
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước

Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
10/14/2010 15
ĐÀI NÉN KHÍ
Là loại đài kín, một phần được làm đầy bởi khí
nén. Nó có thể ở vò trí ‘thấp’ trong hệ thống
so với yêu cầu đài nước có mặt thoáng tự do:
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
Bơm
Bình nén khí
MNmax
MNmin
V

1
d
2
q
d
1
d
2
d
3
Đường ống
10/14/2010 17
Đoạn (đường) ống
 Giới hạn giữa 2 mối nối (nút).
 Quy ước có d không đổi.
 Khi tính toán thủy lực 

 Không có
lưu lượng ra (vào) dọc tuyến (trong
trường hợp có lưu lượng dọc tuyến 


quy đổi gần đúng về lưu lượng tập
trung ở nút 2 đầu).
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ

Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
D ngoài
d thực
D định danh
4
10/14/2010 19
Máy bơm:
Thiết bò bổ sung năng lượng cho hệ thống
dưới dạng nâng cột nước (áp suất).
Các thông số về bơm:


 Đường đặc tính H ~ Q


 Đường đặc tính η
ηη
η ~ Q, H
 Đường đặc tính N ~ Q, H
 Đường đặc tính [H
ck
]
cp
~ Q
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L

Q
2


 EPANET H(m), Q(l/s)
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
10/14/2010 21
Van:


 Thay đổi lưu lượng đi qua thông qua việc
thay đổi sức cản đối với dòng chảy.
- Van cách li;
- Van một chiều;
- Van giữ cao độ;

Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
10/14/2010 23
Tổng cột nước
H khi không có
van giảm áp
Sơ đồ minh hoạ sự làm việc VAN GIẢM ÁP
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư

Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
Van giữ áp
Vùng phục vụ trên cao
Vùng phục vụ dưới thấp
Bể chứa
trên đồi
H khi có van
Mức thấp
nhất
p/γ
γγ
γ khi k/có van!
∆
∆∆
∆H
5
10/14/2010 25
PGS. Dr. Nguyễn Thống

 Phân tích chất lượng nước
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
10/14/2010 27
TỔN THẤT NĂNG LƯNG
Còn gọi là tổn thất cột nước bao gồm:
- Tổn thất dọc đường (đường dài) do ma sát
giữa dòng chảy và thành ống.
- Tổn thất cục bộ do sự rối loạn dòng chảy sinh
ra khi dòng chảy thay đổi phương đột ngột
hoặc qua chỗ nối ống, thay đổi tiết diện chảy
đột ngột.
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï

T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
π
5
2
L
gD
fLQ8
dh =
852,187,4
852,1
L
C
D
LQ7,10
dh =
33,5
22
L
D
LQn3,10
dh =
10/14/2010 29
dh
L
(m) tổn thất cột nước

f
1
+
∆
−=
2
9.0
)
Re
74.5
D7.3
e
ln(
25.0
f






+
∆
=
10/14/2010 30
- Federov:
- độ nhám tương đương, R bán kính thủy lực.
- Re số Reynold, a
2
phụ thuộc tính nhám thành ống

lg(2
f
1
2
+
∆
−=
e
∆
6
10/14/2010
10/14/2010
31
31
T
T
Í
Í
NH THU
NH THU
Û
Û
Y L
Y L
Ự
Ự
C
C
MA
MA

Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
10/14/2010 32
Các phương pháp tính thủy lực mạng lưới:
- Mạng lưới cụt: Phương pháp trực tiếp (Q, H).
- Mạng lưới vòng:


 Phương pháp Hardy Cross (giải lặp).


 Phương pháp cân bằng lưu lượng nút (ma trận).


 Phương pháp tổng quát (Epanet).
- Mạng lưới hỗn hợp (cụt+vòng):


 Phương pháp tách thành mạng lưới cụt + mạng

– Mạng lứơi vòng: Phương pháp đúng dần Hardy
Cross, Phương pháp cân bằng lưu lượng nút (ma
trận).
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
10/14/2010 34
TÍNH THỦY LỰC MẠNG LƯỚI BẰNG PHƯƠNG
PHÁP CÂN BẰNG L/L NÚT
Quan hệ Q và dh, Q (m
3
/s) : lưu lượng qua ống
dh (m) tổn thất năng lượng
K hệ số phụ thuộc đặc tính ống, Q (quan hệ phi tuyến)
H=z+p/γ cột nước đo áp toàn phần, m=1


γ
Q
(i)
z
p/γ
γγ
γ
dh
QKQ.Kdh
'm
==
10/14/2010
10/14/2010
35
35
T
T
Í
Í
NH THU
NH THU
Û
Û
Y L
Y L
Ự
Ự
C
C
MA

Ï
NG NU
NG NU
Ù
Ù
T
T
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
10/14/2010 36
PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG LƯU LƯNG NÚT
Xét quan hệ tổn thất năng lượng và lưu lượng qua 1
đoạn ống cơ bản i:
Tại nút k:
Tại nút j:










−
−
=








i
j
i
k
i
i
j
i
k
H

HỆ THỐNG P/T CHO
TOÀN MẠNG LƯỚI
• Để thiết lập hệ phương trình biểu diễn
cho toàn mạng lưới, ta sẽ dựa vào
nguyên tắc cân bằng lưu lượng lần lượt
tại các nút.
• Để đơn giản, ta xét ví dụ cho một mạng
lưới đơn giản 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 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
10/14/2010 38
SƠ ĐỒ MNG LƯỚI
PGS. Dr. Nguyễn Thống
1
2

Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
10/14/2010 39
Ta gọi C
j
là lưu lượng vào (hoặc ra) hệ thống mạng
lưới tại nút j với quy ước:
• C
j
> 0 : lưu lượng đi vào nút
• C
j
< 0 : lưu lượng ra khỏi nút
Sự cân bằng lưu lượng tại một nút bất kỳ j cho phép
ta viết:
• với chỉ số i biểu thò tất cả các đường ống hội tụ về
nút j.
PGS. Dr. Nguyễn Thống
j
i
i
j
CQ =
∑
MA
Ï
NG L











−
−
=






2
5
5
5
2
5
5
11
11
H
H









−
−
=






5
4
7
7
5
7
4
11
11
H
H
k
Q

11
H
H
k
Q
Q
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
10/14/2010 42
Thay vào phương trình cân bằng nút và thu gọn ta
có:
Ví dụ tại nút j=1:
Với nút này ta có 2 phần tử i=1 và i=2 liên kết vào
nút. Xét phần tử i=1 ta có:
PGS. Dr. Nguyễn Thống
(

1
11
11
H
H
k
Q
Q
(1)
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
8
10/14/2010 43
Xét phần tử i=2 ta có:
Thay vào phương trình cân bằng nút ta có:
PGS. Dr. Nguyễn Thống

H
H
k
Q
Q
(
)
13221121
CHkHkHkk
=
−
−
+
(2)
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước

=






























.
.
.
.
0
0
0
000
C
C
C
H
H
H
k
kkkDX
kkkkkk
kkkkkk
kkkkkkk
kkkk
Chú ý: Ma trận [K] đối xứng
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA

P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
10/14/2010 46
SƠ ĐỒ MNG LƯỚI
PGS. Dr. Nguyễn Thống
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
8
7
9
C
1
C
5



 C
i
: biết tại nút i
Trong trường hợp thứ 1, với H
i
biết trước, giá trò
này sẽ được xử lý vào hệ phương trình bằng 1
trong 2 phương pháp 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 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
10/14/2010 48
• Phương pháp 1: (Dùng trong p/p PTHH)
Giữ nguyên hệ phương trình của mạng lưới,

Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
9
10/14/2010 49
• Phương pháp 2:
Thay giá trò H
i
đã biết vào phương trình
và biến đổi thích hợp để nhận hệ
phương trình mới có số phương trình ít
hơn (không có phương trình cho H
i
đã
biết).


 Giả sử có n giá trò H
i
biết, số phưong
trình còn lại sẽ là (N-n) với N là số nút

Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
1
2
3
4
1
2
3
5
4
C
1
C
4
C
2
C
3
10/14/2010 51

µ
µµ
µ =ν
νν
ν*ρ
ρρ
ρ : hệ số nhớt động lực
ρ
ρρ
ρ: khối lượng riêng của nước.
PGS. Dr. Nguyễn Thống
L128
g
k
4
µ
φπρ
=
1
2
1
2
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á

Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
dh
L128
g
dh.kQ
4
µ
φπρ
==
10/14/2010 53
Giải:
Trên cơ sở số liệu ta tính được: k
1
=0.024 m
2
/s và
k
2
=0.385 m
2
/s
Ma trận cơ bản cho phần tử i=1:
Ma trận cơ bản cho phần tử i=2:
PGS. Dr. Nguyễn Thống

H
Q
Q












−
−
=






2
1
2
2
2
1







=












+−−
−−+
2
1
2
1
2121
2121
C
C
H

1
2
1
C
C
H
H
385.0024.0385.0024.0
385.0024.0385.0024.0
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
10
10/14/2010 55
• Từ điều kiện H
1
=10 m và C

1
-H
2
) =0.385(10-5.11) =1.8826 m
3
/s
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
10/14/2010 56
• Ví dụ 2: Cho mạng lưới như hình vẽ. Các số liệu như
sau:
12.9770.57320005
0.7720.28320004
0.7720.28320003
0.3850.210002

3
1
4
2
12
4
5
C
2
=10m
3
/s
C
3
=10m
3
/s
Xác đònh lưu lượng (Q) và
cột nước (H) tại các vò trí chưa biết.
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N












=



















Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
10/14/2010 59
Ví dụ 2: Cho mạng lưới như hình vẽ. Các số liệu như
sau:
8.00.44004
2.00.24003
2.00.25002
8.00.45001
k(m
2
/s)d(m)L(m)Phần tử
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù

1
=10m
3
/s
H
1
=40m
Xác đònh lưu lượng và cột nước tại các vò trí chưa biết.
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
11
10/14/2010 61
BÀI TẬP
Thiết lập hệ phương trình dưới dạng ma trận các ẩn
số cột nước H cho các mạng lưới sau:
PGS. Dr. Nguyễn Thống

4
5
6
7
1
2
4
3
5
6
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
10/14/2010 62
PHƯƠNG PHÁP TỔNG QUÁT
(Phần mềm EPANET)
PGS. Dr. Nguyễn Thống

Q
ij
lưu lượng trong ống (ij)
r: hệ số kháng thủy lực
n: số mũ (Hazen Williams n=1.852)
m: hệ số chỉ mất năng cục bộ trong đoạn (ij).
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
2
ij
n
ijjiij
mQrQHHdh +=−=
10/14/2010 64
Trong trường hợp bơm ta có:










ω
−ω−=
n
ij
0
2
ij
Q
rhh
Q(m
3
/s)
H(m)
Q
tk
H
tk
P=
ρ
ρρ
ρ

0DQ
i
j
ij
=−
∑
10/14/2010 66
Áp dụng các phương trình cho toàn hệ thống sẽ
nhận được hệ phương trình viết dưới dạng ma
trận:
AH =F
A 

 ma trận hệ số (các hệ số của [A] phụ
thuộc dạng hình học của ống & H (bài toán
phi tuyến).
Trong Epanet sự dụng phương pháp gradient
để giải hệ thống (giải lặp).
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N

PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù
T N
Ư
Ơ
Ù
C
Chương 3: Mô hình hoá & thiết kế hệ thống cấp nước
10/14/2010 68
HẾT CHƯƠNG 3
PGS. Dr. Nguyễn Thống
MA
Ï
NG L
Ư
Ơ
Ù
I CA
Á
P THOA
Ù