Thiết kế hệ thống cấp nước đô thò với EPANET version 2 Hồ Long Phi

1
I HC BÁCH KHOA THÀNH PH H CHÍ MINH
KHOA K THUT XÂY DNG
B MƠN K THUT TÀI NGUN NC
THIT K HỆ THỐNG CP NƯỚC VI
EPANET v.2

Tài liu tham kho cho Sinh Viên và K S chun ngành Cp Thốt Nc
H Long Phi 2005
Thiết kế hệ thống cấp nước đô thò với EPANET version 2 Hồ Long Phi

2
Mục lục
GIỚI THIỆU 5

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 bò 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
Thiết kế hệ thống cấp nước đô thò với EPANET version 2 Hồ Long Phi

3
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 trò) 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

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 bò 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.

Hồ Long Phi
Thiết kế hệ thống cấp nước đô thò với EPANET version 2 Hồ Long Phi

5
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 đònh 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 vò 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 đònh các thông số kỹ thuật của các
thiết bò và công trình trên mạng. Khả năng mô phỏng khá mạnh của EPANET cho phép

Thiết kế hệ thống cấp nước đô thò với EPANET version 2 Hồ Long Phi

6
• 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:
• 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.
1.2 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 đòa chỉ:
[email protected] với đòa 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 đòa chỉ của
EPA nêu trên. Ngoài ra người đọc cũng có thể liên hệ tại đòa chỉ sau đây để có được
chương trình và bản dòch 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: [email protected]
1.3 Cài đặt chương trình


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 đòa chỉ:
http://www.optiwater.com
.
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 Mục đích
1
- 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.
2
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.

- Lấy nước từ sông có ảnh hưởng thủy triều
- Lấy nước từ đường ống cấp nước chính.
13
Xuất kết quả ra ngoài EPANET
Thiết kế hệ thống cấp nước đô thò với EPANET version 2 Hồ Long Phi

9
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 vò 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 trò này là khoảng 1000 m. Trong lúc mô phỏng, nếu
phát hiện những vò 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 vò 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 bò SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)… Sự cần thiết
và vò trí các thiết bò này đối với một hệ thống cấp nước cụ thể được xác đònh dựa
theo các chỉ dẫn trong quy phạm và cả kinh nghiệm của người thiết kế.
Sau đó chọn NOTATION và đánh dấu tất cả các ô.

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
Thiết kế hệ thống cấp nước đô thò với EPANET version 2 Hồ Long Phi

11Trong mục SYMBOLS hãy đánh dấu chọn tất cả các ô.
- Để hiển thò chiều dòng chảy, hãy chọn VIEW / OPTIONS. Trong bảng đối thoại MAP
OPTIONS chọn FLOW ARROWS và đánh dấu OPEN hoặc FILLED.

Thiết kế hệ thống cấp nước đô thò với EPANET version 2 Hồ Long Phi

12- 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 thò trên màn hình, hãy chọn VIEW / TOOLBARS / MAP). Click chuột tại
vò trí muốn bố trí hồ chứa.

- Bổ sung các nút lấy nước (junction nodes). Click chuột lên nút ADD JUNCTION trên


13

- 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:

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


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

Thiết kế hệ thống cấp nước đô thò với EPANET version 2 Hồ Long Phi

14
- Khai báo lại giá trò của tọa độ X-Y để chỉnh vò trí các nút trên sơ đồ. Các giá trò này
không ảnh hưởng đến chiều dài ống tính toán.
- ELEVATION: cao độ của nút (cao đ mt đất).
- BASE DEMAND: lưu lượng trung bình của ngày dùng nước lớn nhất (có xét cả hệ
số K
ngày
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:
Nhấn nút ADD và khai báo lần lượt các giá trò 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 trò 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
Thiết kế hệ thống cấp nước đô thò với EPANET version 2 Hồ Long Phi

16
dưới. Trong ví dụ sau ta khai báo một đường cong đặc tính bơm.
Nhấn nút ADD và khai báo các giá trò 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 trò 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
Thiết kế hệ thống cấp nước đô thò với EPANET version 2 Hồ Long Phi

18
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
vò 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

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- PRESSURE-
BELOW-giá trò áp lực yêu cầu (ví dụ bằng 16m). Các nút thỏa yêu cầu query sẽ được hiển
thò trên sơ đồ hệ thống.
Trong ví dụ này tất cả các nút đều lớn hơn áp lực yêu cầu giả đònh 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.
Thiết kế hệ thống cấp nước đô thò với EPANET version 2 Hồ Long Phi

20- 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 thò 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

Thiết kế hệ thống cấp nước đô thò với EPANET version 2 Hồ Long Phi

22
- 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.

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 vò 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 đònh chính xác hơn, có thể cần phải giả đònh các tình huống đặc biệt
khi một trong những tuyến ống chính bò hỏng hay ngừng hoạt động. Có thể tham
khảo vận tốc kinh tế trong bảng sau:

Đường kính ống
(mm)
Vận tốc kinh tế
(m/s)
Đường kính ống
(mm)
Vận tốc kinh tế
(m/s)
100 0.15 – 0.86 350 0.47 – 1.58
150 0.28 – 1.15 400 0.5 – 1.78
200 0.38 – 1.15 450 0.6 – 1.94
250 0.38 – 1.48 500 0.7 – 2.1
300 0.41 – 1.52 ≥ 600 0.95 – 2.6

- Cũng có thể quyết đònh dựa theo tổn thất áp lực (TTAL) đơn vò (UNIT
HEADLOSS) trong đường ống.
Một cách tổng quát khó có thể đề ra một nguyên tắc chung để đánh giá một giá trò cho
trước của TTAL đơn vò là lớn hay nhỏ. Đối với một hệ thống cấp nước đô thò loại lớn có
Thiết kế hệ thống cấp nước đô thò với EPANET version 2 Hồ Long Phi

bổ sung của đài nước nên TTAL đơn vò 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 đònh 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.

Trích đoạn Thiết kế hệ thống vịi phun nuớc trang trí Mơ phỏng nguồn cấp nước Tích hợp với bản đồ nền và tính chất Auto Length Kết quả dạng biểu đồ Xuất thơng số của mạng lưới

---