01. [Kinh_nghiem_dung_EPANET]-[Nguyen Manh Tuan]-[DH Thuy Loi]

5/16/2018 01. [Kinh_nghiem_dung_EPANET]-[Nguyen Manh Tuan]-[DH Thuy Loi] - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/01-kinhnghiemdungepanet-nguyen-manh-tuan-dh-thuy-loi

CHƯƠ NG TRÌNH EPANET ĐỂ TÍNH TOÁN MẠNG LƯỚ I CẤP NƯỚ C

Nguyễ n M ạnh Tuân

Tr ườ ng Đại học Thu ỷ l ợ i

TÓM TẮT

EPANET là chươ ng trình tính toán mạng lướ i cấ p nướ c, có khả năng mô phỏng thuỷ lựcvà chất lượ ng nướ c có xét đến yếu tố thờ i gian. Mạng lướ i cấ p nướ c đượ c EPANET mô

phỏng bao gồm các đoạn ống, các nút, các máy bơ m, các van, các bể chứa và đài nướ c.EPANET tính đượ c lưu lượ ng trên mỗi đoạn ống, áp suất tại các nút, chiều cao nướ c ở từng

bể chứa, đài nướ c, nồng độ của các chất trên mạng trong suốt thờ i gian mô phỏng nhiều thờ iđoạn.

Chạy trên nền Windows, EPANET tạo đượ c một môi tr ườ ng hoà hợ p cho việc vào dữ liệu của mạng, chạy mô hình mô phỏng quá trình thuỷ lực và chất lượ ng nướ c, quan sát k ết

quả theo nhiều kiểu khác nhau.EPANET đượ c phát triển bở i Bộ phận Cấ p nướ c và nguồn nướ c thuộc Viện Nghiên cứu

quản lý các r ủi ro quốc gia của Cơ quan Bảo vệ môi tr ườ ng Hoa K ỳ. Bài báo này giớ i thiệutổng quát về EPANET và một số điểm cần lưu ý khi sử dụng chươ ng trình này.

I. GIỚ I THIỆU VỀ CHƯƠ NG TRÌNH EPANET

1. Vấn đề tính toán thuỷ lự c mạng lướ i cấp nướ c

Trong thực tế, mạng lướ i cấ p nướ c thườ ng có 2 dạng: mạng phân nhánh và mạng

vòng. Trong công tác thiết k ế mạng lướ i cấ p nướ c thì việc quan tr ọng nhất là xác địnhđượ c đườ ng kính kinh tế nhất và tổn thất áp lực tối ưu cho tất cả các đoạn ống trongmạng. Để làm đượ c điều đó thì cần phải tính toán thuỷ lực cho mạng lướ i. Trong việctính toán thuỷ lực mạng lướ i cấ p nướ c, cần phải xác định lưu lượ ng chảy qua các đoạnống, đồng thờ i cũng phải xác định các tổn thất thuỷ lực trên từng đoạn ống.

Thông thườ ng mạng lướ i cấ p nướ c bao gồm r ất nhiều đoạn ống có chiều dài vàđườ ng kính khác nhau và các thiết bị trên mạng tạo nên một hệ thống r ất phức tạ p về mặt thuỷ lực đặc biệt là loại mạng vòng vì số ẩn quá nhiều và các phươ ng trình tínhtổn thất thủy r ất phức tạ p, không giải tr ực tiế p đượ c, phải tính thử dần theo các phươ ng

pháp khác nhau (như phươ ng pháp của Lobachev hay của Andriyasev).

Tr ướ c đây việc tính toán thuỷ lực cho mạng lướ i cấ p nướ c thườ ng đượ c giải bằngthủ công nên r ất tốn kém thờ i gian và công sức. Ngày nay nhờ có công cụ máy tínhnên việc giải bài toán đượ c thực hiện nhanh chóng nhờ các chươ ng trình tính toán sẵncó như chươ ng trình LOOP và gần đây có thêm chươ ng trình EPANET. Chươ ng trìnhEPANET đượ c phát triển bở i Bộ phận Cấ p nướ c và nguồn nướ c thuộc Viện Nghiêncứu quản lý các r ủi ro quốc gia của Cơ quan Bảo vệ môi tr ườ ng Hoa K ỳ.

2. Giớ i thiệu chung về chươ ng trình EPANET

EPANET mô phỏng quá trình thuỷ lực và chất lượ ng nướ c có xét đến yếu tố thờ i

gian. Một mạng lướ i cấ p nướ c đượ c EPANET mô phỏng bao gồm: các đoạn ống(Pipes), các nút (Junctions), các máy bơ m, các van, các bể chứa và các đài nướ c,...

1



EPANET xem xét lưu lượ ng nướ c trên mỗi đoạn ống, áp suất tại các nút, cao độ mựcnướ c ở từng bể chứa và đài nướ c và nồng độ của các chất trên mạng lướ i suốt thờ i gianmô phỏng gồm nhiều thờ i đoạn. Ngoài ra, thờ i gian lưu nướ c và biểu đồ nguồn nướ ccũng đượ c mô phỏng trong chươ ng trình.

Chạy trên nền Windows, EPANET tạo đượ c một môi tr ườ ng hoà hợ p cho việcnhậ p dữ liệu của mạng, chạy mô hình thuỷ lực và mô phỏng chất lượ ng nướ c, quan sátk ết quả theo nhiều kiểu khác nhau. Đó là: thể hiện sơ đồ mạng lướ i theo màu và số,các bảng số liệu, các biểu đồ quan hệ theo thờ i gian và các hình vẽ.

3. Khả năng mô phỏng thuỷ lự c của EPANET

Mô hình mô phỏng thuỷ lực một các chính xác là điều kiện tiên quyết cho sự mô phỏng chất lượ ng nướ c một cách hiệu quả. EPANET chứa các công cụ phân tích thuỷ lực r ất mạnh, có các khả năng sau:

- Có thể phân tích đượ c mạng cấ p nướ c không giớ i hạn về quy mô.

- Tính toán tổn thất ma sát thuỷ lực theo cả 3 công thức: Hazen-Williams, hoặcDarcy -Weisbach, hoặc Chezy -Manning.

- Tính đượ c cả các tổn thất cục bộ ở các đoạn cong, đoạn ống nối,....

- Mô hình hoá máy bơ m vớ i số vòng quay cố định hoặc thay đổi.

- Tính đượ c năng lượ ng bơ m và giá thành bơ m nướ c.

- Mô phỏng các loại van khác nhau như van ngắt (Shutoff), van hãm (Check),van điều chỉnh áp suất (Pressure regulating), và van kiểm soát lưu lượ ng (Flowcontrol).

- Cho phép mô phỏng bể chứa nướ c có nhiều hình dạng khác nhau (đườ ng kínhcó thể thay đổi theo chiều cao).

- Tính đến sự biến đổi nhu cầu nướ c tại các nút, có thể mỗi nút có một biểu đồ dùng nướ c riêng.

- Mô hình hoá lưu lượ ng dòng chảy phụ thuộc áp suất từ các nút theo kiểu vòi phun (Sprinkler heads).

- Có thể cho hệ thống làm việc khi mực nướ c trong các bể ứng vớ i các tr ườ nghợ p: không biến đổi (Simple tank), thay đổi theo thờ i gian (Timer controls),

hoặc điều khiển theo quy tắc phức tạ p (Complex rule-based controls).4. Khả năng mô phỏng chất lượ ng nướ c của EPANET

Ngoài việc mô hình hoá thuỷ lực, EPANET cho phép tạo mô hình chất lượ ngnướ c vớ i các khả năng sau:

- Mô hình hoá sự chuyển động của vật chất không phản ứng trong mạng.

- Mô hình hoá chuyển động và sự biến đổi của các chất có phản ứng trong mạng,như sự gia tăng (ví dụ như chất tẩy) hoặc sự suy giảm (như dư lượ ng Clo) theothờ i gian.

- Mô hình hoá thờ i gian lưu nướ c trong khắ p mạng.- Theo dõi đượ c phần tr ăm lưu lượ ng nướ c từ một nút cho tr ướ c tớ i các nút khác

2



theo thờ i gian.

- Mô hình hoá phản ứng cả trong dòng chảy chính (Bulk flow) lẫn trên thành ống(Pipe wall).

- Sử dụng động học bậc 'n' để mô hình hoá phản ứng của dòng chảy chính.

- Sử dụng động học bậc '0' hoặc bậc nhất để mô phỏng phản ứng của thành ống.

- K ể đến sự cản tr ở sự vận chuyển nướ c khi mô hình hoá thành ống.

- Cho phép các phản ứng gia tăng hoặc suy giảm đến một nồng độ giớ i hạn.

- Sử dụng các hệ số mức phản ứng chung, tuy nhiên cũng có thể thay đổi riêngcho từng đoạn ống.

- Cho phép hệ số phản ứng của thành ống liên hệ đượ c vớ i độ nhám của ống.

- Cho phép một hàm lượ ng hoặc một khối lượ ng vật chất biến đổi theo thờ i gian

đưa vào một vị trí bất k ỳ trong mạng.- Mô hình hoá các bể chứa như là bể phản ứng vớ i các kiểu tr ộn khác nhau.

Vớ i các đặc điểm như vậy, EPANET có thể xem xét đượ c các vấn đề về chấtlượ ng nướ c như:

- Sự pha tr ộn nướ c từ các nguồn khác nhau;

- Thờ i gian lưu nướ c trong hệ thống;

- Sự tăng các sản phẩm tẩy trùng;

- Sự lan truyền các chất gây ô nhiễm.

II. SO SÁNH EPANET VỚ I CHƯƠ NG TRÌNH LOOP

Có thể nói EPANET hơ n hẳn chươ ng trình LOOP vì có các điểm ưu việt sau:

- Mô phỏng đượ c hầu hết các thành phần cơ bản của một hệ thống cấ p nướ c: cácđoạn ống, nút, máy bơ m, van, bể chứa và đài nướ c. Trong khi đó LOOP chỉ mô

phỏng đượ c các đoạn ống và các nút.

- Mỗi phần tử trong hệ thống đượ c mô phỏng vớ i r ất nhiều thuộc tính (ví dụ, mô phỏng ống vớ i các thuộc tính: chiều dài l, đườ ng kính d, độ nhám, hệ số phảnứng của dòng chảy Rb, hệ số phản ứng của thành ống Rw; mô phỏng máy bơ m

vớ i các thuộc tính: đườ ng đặc tính H~Q, đườ ng đặc tính η~Q, số vòng quay n, biểu đồ thay đổi số vòng quay n~t, biểu đồ giá năng lượ ng bơ m g~t; mô phỏngđài nướ c vớ i các thuộc tính: độ cao đáy Zmin, độ sâu nhỏ nhất Hmin, độ sâu lớ nnhất Hmax, đườ ng kính D, dung tích nhỏ nhất Vmin, đườ ng quan hệ V~H, kiểutr ộn, hệ số phản ứng R;...). Vì vậy EPANET cho phép can thiệ p sâu vào côngviệc thiết k ế mạng lướ i, khi chạy xong chươ ng trình, có thể thu đượ c các thôngsố thiết k ế cơ bản của các thành phần trong hệ thống cấ p nướ c.

- Mô phỏng đượ c cả chất lượ ng nướ c trong hệ thống.

- Mô phỏng quá trình thuỷ lực và chất lượ ng nướ c theo thờ i gian.

- Chạy trên nền Windows, giao diện ngườ i và máy r ất thân thiện, dễ sử dụng.Giao diện chủ yếu là đồ hoạ, r ất thuận tiện và nhanh chóng cho việc lậ p sơ đồ

3



mạng lướ i, nhậ p dữ liệu để tạo các thuộc tính của các đối tượ ng.

- Các đối tượ ng (các đoạn ống, các nút,...) đượ c đánh số một cách tự động hoặccũng có thể đánh số lại theo chủ ý của ngườ i sử dụng.

- K ết quả đượ c hiển thị một cách tr ực quan dướ i nhiều dạng (file số liệu, đồ thị,

bảng, hình vẽ, đồ thị...) và đượ c sắ p xế p r ất hệ thống.- Khi cần điểu chỉnh thuộc tính của các phần tử trong mạng để đượ c một phươ ng

án thiết k ế hợ p lý thì việc thay đổi đượ c thực hiện r ất nhanh chóng và tr ực quan.

III. TRÌNH TỰ CÁC BƯỚ C SỬ DỤNG EPANET

Việc áp dụng chươ ng trình EPANET để mô phỏng một hệ thống cấ p nướ c đượ cthực hiện theo các bướ c cơ bản dướ i đây:

1) Vẽ sơ đồ biểu diễn mạng cấ p nướ c (Adding Objects).

2) Biên tậ p các thuộc tính của các đối tượ ng của mạng (Editing Objects).

3) Mô tả hệ thống làm việc như thế nào: các đườ ng quan hệ (Curves), các biểu đồ theo thờ i gian (Time Patterns), các lệnh điều khiển (Controls).

4) Chọn các chứa năng phân tích (Setting Analysis Options) để đặt các thuộc tínhcho các đối tượ ng về các mặt: thuỷ lực, chất lượ ng, phản ứng, thờ i gian, nănglượ ng,...

5) Chạy chươ ng trình để phân tích thuỷ lực hoặc chất lượ ng nướ c (Running anAnalysis).

6) Xem k ết quả (Viewing Results).

IV. MỘT SỐ CHÚ Ý KHI SỬ DỤNG CHƯƠ NG TRÌNH EPANET

Ngoài những điều đã đượ c hướ ng dẫn trong phần mềm, chúng tôi xin nêu ra mộtsố điểm cần chú ý đượ c rút ra qua việc sử dụng chươ ng trình như sau:

1. Về hệ đơ n vị

EPANET sử dụng hai hệ đơ n vị: Hệ Anh Mỹ (US Customary units) và hệ mét tiêuchuẩn (SI Metric units). Vì vậy tr ướ c khi biểu diễn mạng cấ p nướ c cần đưa các kíchthướ c và đơ n vị về mét tiêu chuẩn.

2. Đối vớ i ống (Pipe)

a) Chọn hệ số nhám (Roughness Coefficients) trong EPANET

Tùy theo công thức tính tổn thất dọc đườ ng đượ c sử dụng, hệ số nhám đối vớ i ốngmớ i đượ c lấy theo bảng dướ i đây:

Vật liệu làm ốngHazen-Williams

C(không thứ nguyên)

Darcy-Weisbache

(millifeet)

Manning'sn

(không thứ nguyên)

Gang 130 - 140 0,85 0,012 - 0,015

Bê tông 120 -140 1,0 - 10 0,012 - 0,017

Sắt tráng k ẽm 120 0,5 0,015 - 0,017

4



Chất dẻo 140 - 150 0,005 0,011 - 0,015

Thép 140 - 150 0,15 0,015 - 0,017

Gốm tráng men 110 0, 013 - 0,015

Ghi chú: 1 foot = 0, 3048 m; 1 inch = 25,4 mm

Để nhanh chóng thông chươ ng trình thì ban đầu nên sơ bộ giả thiết đườ ng kính dcủa các ống thiên về giá tr ị lớ n r ồi điều chỉnh thu nhỏ dần.

b) Tổn thất cục bộ (Minor Loss Coefficients)

Hệ số tổn thất cục bộ ξ đượ c tra từ các bảng thuỷ lực, cũng có thể lấy theo đề nghị của EPANET như dướ i đây:

Van cầu, mở hoàn toàn: 10,0

Van nghiêng, mở hoàn toàn: 5,0

Van cánh gạt, mở hoàn toàn: 2,5Van tấm, mở hoàn toàn: 0,2

Uốn cong, bán kính nhỏ: 0,9

Uốn cong, bán kính trung bình: 0,8

Uốn cong, bán kính trung lớ n: 0,6

Uốn cong cong 450: 0,4

Chỗ r ẽ (đầu thẳng bịt): 2,2

Tê tiêu chuẩn, dòng chảy trên nhánh thẳng: 0,6Tê tiêu chuẩn, dòng chảy trên nhánh r ẽ: 1,8

Chỗ vào, cạnh vuông: 0,5

Chỗ ra: 1,0

3. Đối vớ i nút (Junction)

Cao độ điểm tính toán tại các nút (Elevation) chỉ ảnh hưở ng đến giá tr ị áp suất tạiđiểm đó mà không ảnh hưở ng bài toán thuỷ lực. Tuy nhiên nếu tại nút nào đó có caođộ quá cao thì có thể áp suất sẽ cho k ết quả âm và cần phải xác định lại cao độ này phù

hợ p cho riêng nút đó và cân đối cho toàn mạng. Tránh tr ườ ng hợ p vì cố đạt đượ c caođộ tại một nút cục bộ nào đó mà phải tăng áp suất cho toàn mạng thì sẽ không kinh tế.

4. Đối vớ i đài (Tank)

- Cao trình đáy (Elevation) nên chọn cao hơ n so vớ i các nút.

- Chọn thể tích đài (D, H) thiên lớ n để chươ ng trình sớ m chạy thông r ồi sau đóhiệu chỉnh giảm dần.

- Nếu nướ c không lên đài phải tăng bơ m (tuỳ theo lỗi mà tăng Q hay tăng H).

- Nếu nướ c vào đài sau đó không ra nữa hoặc chỉ ra đượ c một phần thì giảm bớ t

lưu lượ ng máy bơ m Q bơ m.- Đài có liên quan đến chất lượ ng nướ c, kiểu tr ộn.

5



- Khi đài không phải hình tr ụ thì cần đưa vào đườ ng đặc tính về quan hệ V~H.

- Đài lăng tr ụ có thể quy về hình tr ụ tươ ng đươ ng (cùng diện tích đáy) để tiện chotính toán.

5. Đối vớ i bơ m (Pump)

- Việc xây dựng các đồ thị đườ ng đặc tính bơ m (Pump Curves) có thể cần 1, 3 haynhiều điểm, càng nhiều điểm thì đườ ng đặc tính càng chính xác.

- Đườ ng đặc tính hiệu suất nên lấy nhiều điểm.

- Khi thay đổi số vòng quay ở biểu đồ số vòng quay (Time Pattern), khống chế không vượ t quá 20% so vớ i vòng quay chuẩn để an toàn cho máy bơ m.

- Nếu cần tạo ra chế độ bơ m theo số máy chạy trong các giờ khác nhau, khi cómáy nào đó nghỉ thì lấy nhân tử (Multiplier) ở biểu đồ số vòng quay (Time Pattern)của bơ m đó bằng '0', lúc đó coi như bơ m không chạy.

- Chọn lưu lượ ng thiết k ế của bơ m: nên chọn Q bơ m xấ p xỉ bằng tổng các lưu lượ ngyêu cầu (Demmand) tại các nút. Nếu Q bơ m nhỏ hơ n giá tr ị này thì chươ ng trình sẽ báolỗi vớ i áp suất âm tại các nút.

- Đầu tiên để chươ ng trình sớ m chạy thông có thể chọn Q bơ m thiên lớ n, sau hiệuchỉnh giảm dần.

- Phối hợ p chọn lưu lượ ng và cột nướ c bơ m vớ i lựa chọn dung tích đài (nếu trongmạng có đài). Khi Q bơ m tăng thì thì W đài sẽ nhỏ).

- Cho phép đơ n giá năng lượ ng có thể thay đổi theo giờ trong ngày. Khi đó đưa

vào biều đồ giá theo tỷ lệ giá so vớ i giá chuẩn (Price Pattern).6. Chứ c năng xem k ết quả (Report)

EPANET có nhiều chức năng xem k ết quả r ất thuận tiện. Ngoài việc xem k ết quả qua file dữ liệu và hình vẽ trên màn hình, còn có một số chức năng đặc biệt để xem k ếtquả vớ i thao tác bấm các nút:

- Nút Query: Xem k ết qua theo điều kiện nào đó (Sort).

- Nút Graph: Xem k ết quả bằng đồ thị.

- Nút Table: Xem k ết quả bằng bảng; có thể lượ c bớ t một số cột hoặc có thể chỉ

cần xem những hàng có giá tr ị theo điều kiện (Sort).- Nút Report /Energy: Xem điện năng tiêu thụ và tiền điện.

7. Cách nhập sơ đồ mạng lướ i cấp nướ c từ bản vẽ CAD

Việc vẽ một sơ đồ mạng lướ i cấ p nướ c tr ực tiế p trên màn hình máy tính thườ ngtốn công sức và sẽ r ất kém chính xác, nhất là khi sơ đồ phức tạ p có nhiều đoạn ống.EPANET còn cung cấ p một tiện ích r ất mạnh đó là khả năng nhậ p sơ đồ hệ thống từ file ảnh. Sau đây sẽ trình bày cách vẽ sơ đồ mạng lướ i cho EPANET từ bản vẽ CADtheo trình tự sau:

Bướ c 1. Tạo file ảnh

- Có bản vẽ sơ đồ mạng lướ i dướ i dạng CAD.

6



- Bật chươ ng trình chuyển đổi hình vẽ CAD sang Picture (có thể dùng BWM hoặcmột chươ ng trình khác).

- Bật chươ ng trình xử lý ảnh (Paint, Microsoft Photo Editor, Photoshop...).

- Copy bản vẽ CAD vào clipboard.

- Dán sang Paint.

- Lưu (Save) dướ i dạng file bitmap (*.bmp).

Bướ c 2. Nhậ p file ảnh làm nền để vẽ sơ đồ mạng lướ i cho EPANET

- Vào chức năng View /Backdrop/Load.

- Hiện ra cửa sổ Open a Backdrop Map.

- Chỉ đườ ng dẫn tớ i thư mục chứa file ảnh cần tìm và mở file (Open).

- Nền ảnh sẽ hiện ra

- Vẽ theo hình dướ i nền để tạo sơ đồ mạng lướ i bằng EPANET.

Chú ý r ằng, sau khi vẽ xong nếu không cần để nền (nhìn quá r ối) thì có thể tạmthờ i tắt đi bằng cách ấn chuột phải và click vào biểu tượ ng Backdrop /Ôn-Ôff.

V. K ẾT LUẬN

Chươ ng trình EPANET đượ c sử dụng để mô phỏng mạng lướ i cấ p nướ c. Chươ ngtrình có nhiều tính năng mạnh, đẩy đủ và thuận tiện. Chươ ng trình đượ c cung cấ p miễn

phí và có thể tải về đượ c trên mạng Internet. Ngoài chươ ng trình chính ra, còn có tàiliệu hướ ng dẫn kèm theo r ất thuận lợ i cho ngườ i sử dụng.

Trên đây là một số vấn đề đượ c rút ra trong quá trình ban đầu khai thác, sử dụngchươ ng trình EPANET. Không đi sâu vào các thao tác, các lệnh cụ thể và chi tiết củachươ ng trình, bài báo này chỉ giớ i thiệu một số nét chủ yếu vớ i mục đích quảng báchươ ng trình và trao đổi một số kinh nghiệm khi sử dụng chươ ng trình. Các vấn cụ thể và chi tiết liên quan đến việc khai thác, sử dụng chươ ng trình nên đượ c tham khảo tỉ mỉ trong tài liệu hướ ng dẫn chi tiết kèm theo.

SUMMARY

EPANET performs extended period simulation of hydraulic and water quality behavior

within pressurized pipe networks. A network consists of pipes, nodes, pumps, valves andstorage tanks or reservoirs. EPANET tracks the flow of water in each pipe, the pressure ateach node, the height of water in each tank, and the concentration of a chemical speciesthroughout the network during a simulation period comprised of multiple time steps.

Running under Windows, EPANET provides an integrated environment for editingnetwork input data, running hydraulic and water quality simulations, and viewing the resultsin a variety of formats. EPANET was developed by the Water Supply and Water ResourcesDivision of the Ự .S. Environmental Protection Agency's National Risk Management ResearchLaboratory.

7

Documents

01. [Kinh_nghiem_dung_EPANET]-[Nguyen Manh Tuan]-[DH Thuy Loi]