82138110 Huong Dan Su Dung SWMM Tong Dinh Quyet

Hướng dẫn sử dụng SWMM – Thiết kế hệ thống thoát nước

Designer by : Tống Đình Quyết – S7_46H - Đại Học Thủy Lợi – Cs2 Email : [email protected] Tel : 0977.78.43.79

1

LỜI GIỚI THIỆU Mục lụ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI –CS2 BỘ MÔN CẤP THOÁT NƯỚC Biên soạn:sv. Tống Đình Quyết

--------- ----------

HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM SWMM

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC

Tp Hoà Chí Minh. Tháng 5 năm 2008



2

PHẦN III : GIỚI THIỆU PHẦN MỀM

I . Giới thiệu phần mềm SWMM : Mô hình toán SWMM (Storm Water Management Model ) là mô hình động lực

học mô phỏng mưa – dòng chảy cho các khu vực đô thị cả về chất và lượng, và tính toán quá trình chảy tràn từ mỗi lưu vực bộ phận đến cửa nhận nước của nó.

Mô hình vừa có thể mô phỏng cho từng sự kiện ( từng trận mưa đơn lẻ ), vừa có thể mô phỏng liên tục.

Mô hình này do Metcalf và Eddy xây dựng năm 1971, là sản phẩm của 1 hợp đồng kinh tế giữa trường ĐH Florida và tổ chức bảo vệ môi trường Hoa kỳ EPA (The U.S.Environment Protection Agency ).

Khi mới ra đời mô hình chạy trên môi trường DOS. Mô hình liên tục được cập nhập và phiên bản mới nhất là SWMM 5.0 chạy trên môi trường WINDOW. Phiên bản mới này được viết lại bởi một bộ phận trong phòng thí nghiệm nghiên cứu Quản lý rủi ro Quốc gia của EPA.

Các phiên bản đã qua của SWMM :

1969 – 1971 : Version 1

1975 : Version 2

1981 : Version 3

1988 : Version 4

2004 : Version 5

Phần mềm này được cung cấp miễn phí có thể Download tại :

http://www.epa.gov/ednnrmrl/swmm/

II . Khả năng của phần mềm SWMM :

Mô hình SWMM là một mô hình toán học toàn diện, dùng để mô phỏng khối lượng và tính chất dòng chảy đô thị do mưa và hệ thống cống thoát nước thải chung. Mọi vấn đề về thuỷ văn đô thị và chu kỳ chất lượng đều được mô phỏng, bao gồm dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm, vận chuyển qua mạng lưới hệ thống tiêu thoát nước, hồ chứa và khu xử lý.

Mô hình SWMM mô phỏng các dạng mưa thực tế trên cơ sở lượng mưa (biểu đồ quá trình mưa hàng năm) và các số liệu khí tượng đầu vào khác cùng với hệ thống



3

mô tả (lưu vực, vận chuyển, hồ chứa / xử lý) để dự đoán các trị số chất lượng và khối lượng dòng chảy.

Hình 1: Các khối xử lý chính trong mô hình SWMM

Trong sơ đồ trên bao gồm các khối sau:

Khối “dòng chảy” (Runoff block) tính toán dòng chảy mặt và ngầm dựa trên biểu đồ quá trình mưa (và/hoặc tuyết tan) hàng năm, điều kiện ban đầu về sử dụng đất và địa hình.

Khối “truyền tải” (Transport block) tính toán truyền tải vật chất trong hệ thống nước thải.

Khối “chảy trong hệ thống” (Extran block) diễn toán thủy lực dòng chảy phức tạp trong cống, kênh…

Khối “Trữ/xử lý“ (Strorage/Treatment block) biểu thị các công trình tích nước như ao hồ…và các công trình xử lý nước thải, đồng thời mô tả ảnh hưởng của

Doøng chaûy(Khoái Runoff)

Nhaän nöôùc (KhoáiReceiving)

Truyeàn taûi chaûy maët

(Khoái transport)

Chaûy trong heä thoáng

(Khoái Extran)

Tröõ / Xöû lyù(Khoái torage/Treatment)



4

các thiết bị điều khiển dựa trên lưu lượng và chất lượng - các ước toán chi phí cơ bản cũng được thực hiện.

Khối “nhận nước” (Receiving block) Môi trường tiếp nhận.

Mục đích ứng dụng mô hình toán SWMM cho hệ thống thoát nước được triển khai nhằm :

o Xác định các khu vực cần xây mới hoặc mở rộng cống thoát nước để

giảm tình trạng ngập lụt đường phố hoặc cung cấp dịch vụ thoát nước thải cho những

khu vực mới phát triển.

o Ước tính lưu lượng nước lũ trong kênh và các chi lưu để xác định vị

trí của kênh cần cải thiện nhằm giảm thiểu tình trạng tràn bờ.

o Cung cấp công cụ quy hoạch để đánh giá việc thực hiện các cống chắn

dòng dọc kênh.

* Những ứng dụng điển hình của SWMM :

o Quy hoạch hệ thống thoát nước mưa.

o Quy hoạch ngăn tràn cống chung.

o Quy hoạch hệ thống thoát nước lũ ở kênh hở.

o Quy hoạch cống ngăn lũ.

o Quy hoạch hồ chứa phòng lũ.

SWMM xem xét mọi quá trình thủy văn tạo dòng chảy trên lưu vực đô thị như : o Quá trình mưa. o Bốc hơi bề mặt nước. o Tuyết tan. o Tổn thất tích tụ trên tán lá cây và tổn thất điền trũng. o Tổn thất thấm. o Thẩm thấu của nước vào các tầng nước ngầm. o Dòng chảy sát mặt.

o Dòng chảy tràn trên bề mặt.

Sự biến đổi về mặt không gian trong mọi quá trình được khắc phục bởi việc chia nhỏ khu vực nghiên cứu thành nhiều lưu vực con đồng nhất.

SWMM cũng có tất cả những tính năng mền dẻo của một mô hình thủy lực dùng để diễn toán dòng chảy, nhập lưu trong cống, kênh, hồ, trạm xử lý nước, các công trình phân nước của hệ thống tiêu thoát nước như :



5

o Tính toán được các hệ thống lớn phức tạp.

o Sử dụng nhiều loại cống có hình dạng và kích thước khác nhau và các kênh hở.

o Mô hình hóa được các bộ phận phức tạp trong hệ thống như: hồ chứa, các trạm xử lý nước, trạm bơm tiêu …

o Có thể xét đến nhập lưu hay dòng chảy từ bên ngoài vào cống như dòng chảy mặt, sát mặt, ngầm, nước thải sinh hoạt và nhiều dạng khác của dòng chảy.

o Có thể sử dụng phương pháp diễn toán dòng chảy sóng động học hay sóng động lực học.

o Mô phỏng được nhiều loại chế độ dòng chảy như nước vật, chảy ngược, nước nhảy do cống đóng mở đột ngột …

SWMM cũng có thể ước tính chất ô nhiễm liên quan đến dòng chảy trên lưu vực đô thị :

o Chất ô nhiễm từ nước thải sinh hoạt, từ các khu vực khác nhau.

o Ô nhiễm do dòng chảy cuốn đi khi mưa.

o Nguồn ô nhiễm khác chảy từ bên ngoài vào hệ thống tiêu thoát nước.

o Diễn toán chất lượng nước trong hệ thống kênh.

o Ước tính sự giảm chất ô nhiễm từ các bể lắng đọng hoặc trạm xử lý nước.

III . Các thuật toán trong SWMM : Cơ sở toán học của SWMM :

Phần mền SWMM này gồm 2 modun chính đó là : Modun Runoff trong SWMM là modun tính dòng chảy từ mưa, các chất ô

nhiễm trên các lưu vực.

Modun Transport trong SWMM diễn toán dòng chảy trên / trong hệ thống các đường ống, kênh dẫn, các hồ điều hòa, trạm bơm, trạm xử lý của hệ thống tiêu thoát nước đô thị .

SWMM cho phép tính toán dòng chảy cả về chất và lượng trong từng lưu vực con, tốc độ chảy, chiều sâu chảy, chất lượng nước trong từng đoạn ống cống, kênh dẫn trong quá trình mô phỏng bao gồm nhiều bước thời gian.



6

1.Tính toán lượng mưa hiệu quả.

Việc tính toán lượng mưa hiệu quả được thực hiện bằng phương pháp khấu trừ tổn thất do thấm, điền trũng, bốc hơi từ bề mặt đất, điền trũng, và do thấm.

PEF (t) = N (t) – VP (t) – F (t) – W (t) (2.2)

Trong đó : PEF : Lượng mưa hiệu quả (mm).

N : Lượng mưa (mm).

P : Lượng bốc hơi bề mặt (mm).

F : Lượng thấm vào trong đất (mm).

W(t) : Lượng trữ bề mặt – tổn thất điền trũng (mm).

t : Thời gian.

Lượng mưa : được đưa vào mô hình bằng giá trị lượng mưa hoặc cường độ mưa theo thời đoạn.

Lượng bốc hơi bề mặt : lượng bốc hơi bề mặt được người sử dụng nhập vào mô hình, có thể được tính theo phương pháp sau:

- Phương pháp cân bằng năng lượng:

nr RE 0353,0=

Trong đó: Er : Lượng bốc hơi(mm/ngày).

Rn : Bức xa thực(W/m2).

- Phương pháp khí động lực:

)( aasa eeBE −= (2.3)

với 2

0

2

2

ln

102,0

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

zz

uB ; ⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+

=T

Teas 3,27327,17exp611 ; asha eRe =

Trong đó: Ea : Lượng bốc hơi (mm/ngày).

u2 : Tốc độ gió (m/s) đo tại chiều cao z2 (cm).

z0 : Chiều cao mẫu nhám (cm).

Rh : Độ ẩm tương đối (%).

Lượng trữ bề mặt : là lượng nước bị tích tụ lại khi dòng chảy di chuyển qua vùng có địa hình âm như ao, hồ, chỗ trũng trên mặt đường… Lượng trữ bề mặt rất khó xác định do tính phức tạp của lưu vực đô thị, do vậy thành phần này thường được đánh giá qua điều tra và sau đó hiệu chỉnh qua mô hình.



7

2.Tính toán thấm, lượng thấm: Thấm là quá trình có tính quyết định với vai trò là đại lượng vào cho hệ thống

đất thoáng khí. Ý nghĩa quan trọng của quá trình thấm trong các quá trình động lực của quá trình trao đổi nước trong đất là phân chia lượng mưa thành nước bề mặt và nước trong đất do ảnh hưởng đến quá trình thủy văn, đặc biệt sự hình thành dòng chảy trên lưu vực. Để tính toán dòng chảy đạt độ chính xác và phù hợp với các quy luật vật lý, đã có nhiều mô hình thấm được xây dựng. Trong mô hình SWMM có 2 phương pháp để lựa chọn:

Phương pháp mô hình thấm HORTON (1940) : là mô hình thấm 1 giai đoạn. Horton nhận xét rằng quá trình thấm bắt đầu từ một tốc độ thấm f 0 không đổi

nào đó, sau đó giảm dần theo quan hệ số mũ cho đến khi đạt tới một giá trị không đổi f ∞ . Mô hình thấm Horton được áp dụng cho để tính cho trận mưa 1

đỉnh và dạng đường cong mưa biến đổi không lớn.

effff p )( 00 ∞−+= -kt (2.4)

Trong đó: fp (mm/s): Cường độ thấm vào đất.

f∞ (mm/s): Cường độ thấm nhỏ nhất tại thời điểm bão hòa.

f0 (mm/s): Cường độ thấm lớn nhất tại thời điểm ban đầu t=0.

t (s) : Thời gian tính từ lúc bắt đầu trận mưa rơi.

k (T-1): Hằng số chiết giảm.

Các thông số f∞, f0, k hoàn toàn xác định đường cong thấm fp và được người sử dụng đưa vào tính toán.

Phương pháp mô hình thấm Green-Ampt (1911) : xây dựng dựa trên phương trình thấm Darcy. Mein - Lason (1973) đã cải tiến phương pháp này để tính toán quá trình thấm theo hai giai đoạn: giai đoạn bão hoà và giai đoạn sau bão hoà. Trong giai đoạn bão hòa, đường cong cường độ thấm là đường quá trình mưa thực do lượng mưa trong giai đọan này chỉ tham gia vào quá trình thấm. Trong giai đoạn sau bão hòa, lớp đất bề mặt đã bão hòa nước, đường cong thấm giảm theo quy luật thấm trọng lực.

Phương trình thấm Green-Ampt được viết dưới dạng:



8

V = K.J (2.5)

Trong đó: V: Cường độ thấm vào đất (mm/s).

K: Hệ số thấm thuỷ lực bão hoà (mm/s).

J: Độ dốc thủy lực, J=Sf.

• Khi F < Fs thì f = i và F=1

.

−KsiIDMS với i> Ks; và f = i

• Khi F ≥Fs thì f = f p và fp=Ks (1+F

IDMS. )

Trong đó: f: Cường độ thấm vào đất (mm/s).

fp: Cường độ thấm tiềm năng (mm/s).

i: Cường độ mưa (mm/s).

F: Lượng thấm tích luỹ (mm).

Fs: Cường độ thấm tích luỹ đến trạng thái bão hoà (mm).

S: Sức hút mao dẫn trung bình (mm).

IDM: Độ thiếu hụt ẩm ban đầu.

Ks: Hệ số thấm thuỷ lực bão hoà (mm/s).

Theo EULER (1989) lượng bốc hơi ngày được tính theo công thức

VP(mm)=1,58 +(0,96+0,0033i)sin{2π /365(i-148)] (2.6)

Trong đó i: Ngày tính theo nămthủy văn.

i=1 Ngày 1 tháng 1.

i=365 Ngày 31 tháng 10 năm sau.

VP : Lượng bốc hơi ngày thứ i

Lượng trữ bề mặt rất khó xác định do tính phức tạp của lưu vực đô thị, do vậy thành phần này thường được đánh giá qua điều tra và sau đó hiệu chỉnh qua mô hình.



9

3.Tính toán dòng chảy mặt Phương trình mô phỏng dòng chảy tràn trên mặt bao gồm phương trình liên tục

và phương trình động lượng.

- Phương trình liên tục

QiAdtddA

dtdV

−== *. (2.7)

Trong đó: V : Thể tích nước trên bề mặt lưu vực.

d : Chiều sâu lớp dòng chảy mặt.

t : Thời gian.

A : Diện tích lưu vực bộ phận.

i* : Cường độ mưa hiệu quả= cường độ mưa rơi trừ đi tổn thất và

bốc hơi bề mặt.

Q : Lưu lượng dòng chảy ra khỏi lưu vực đang xét.

- Phương trình động lực: Phương trình Manning :

2/13/5)(1 Sdpdn

WQ −= (2.8)

Trong đó: W : Chiều rộng trung bình lưu vực (m).

n: Hệ số nhám Manning.



10

IV. Cấu tạo mạng lưới thoát nước trong SWMM SWMM dùng tập hợp các nút ( node ), các đoạn ống nối với các nút, hồ điều

hòa, cửa xả, bơm…. Để mô tả hệ thống mạng lưới thoát nước.

Cấu tạo mạng lưới hệ thống thoát nước bao gồm các thành phần : Subcatchment( lưu vực), Raingage(trạm mưa), Junction(nút),Storage Units( hồ điều hòa),Conduits(đường ống), Pumps(bơm), Regulatiors(van điều khiển hay van một chiều ), Outfalls(cửa xả), mối liên hệ của từng bộ phân được thể hiện trong sơ đồ sau đây

Hình 2: Sơ đồ mô phỏng mạng lưới thoát nước trong SWMM



11

V. Giao diện làm việc của mô hình SWMM

Hình 3: Sơ đồ mô phỏng mạng lưới chạy với SWMM



12

2. Các bước thực hiện mô phỏng một Project : Bước 1: Khai báo các thông số mặc định và các tùy chọn.

Bước 2: Vẽ sơ đồ lưu lượng và mạng lưới công trình thoát nước.

Bước 3: Khai báo các thông số của hệ thống.

Bước 4: Chạy mô phỏng.

Bước 5: Xem xét kết quả.

Bước 6: Hiệu chỉnh thông số đầu vào và mô phỏng lại (nếu cần).

a) Bước 1: Khai báo các thông số mặc định và các tùy chọn (Project/Defaults):

o Khai báo các ký hiệu cho từng đối tượng

Hình 5: Khai báo các ký hiệu cho từng đối tượng

Tuyø choïn ñeå giöõ nguyeân caùc kyù hieäu duøng cho caùc project khaùc

Traïm ño möa Tieåu löu vöïc Nuùt Cöûa xaû Cöûa chia nöôùc Vuøng tröõ taïm nöôùc OÁng daãn ( keânh, oáng, soâng ) Bôm



13

o Khai báo các giá trị mặc định cho tiểu lưu vực

Hình 6: Khai báo các giá trị mặc định cho tiểu lưu vực

o Khai báo các giá trị mặc định cho nút, đường dẫn.

Hình 7: Khai báo các giá trị mặc định cho nút, đường dẫn.

Dieän tích löu vöïc ( ha) Beà roäng löu vöïc ( m) Ñoä doác trung bình % tyû leä dieän tích khoâng thaám Heä soá nhaùm Maning cuûa phaàn khoâng

thaám & vuøng thaám Löôïng nöôùc tröõ laïi treân vuøng khoâng

thaám Löôïng nöôùc tröõ laïi treân vuøng thaám Phaàn hoaøn toaøn khoâng thaám

Giaù trò cho nuùt Chieàu saâu max cuûa nuùt Chieàu daøi conduit (m) Loaïi Conduit Heä soá nhaùm cuûa Conduit Ñôn vò tính ( CMS – m3/s ) Phöông phaùp tính : Dynamic Wave

cho doøng chaûy khoâng oån ñònh



14

o Khai báo Map Option ( View / Map Options ) hoặc kích chuột phải tại hộp thoại Study Area Map Options.

Hình 8: Khai báo các giá trị mặc định cho Map Option

b) Bước 2: Vẽ sơ đồ lưu vực và mạng lưới công trình thoát nước

View Back drop Load File mặt bằng đô thị cần đồ ok đồ lại đô thị theo mặt bằng trên.

Hình 9: Trình tự vẽ sơ đồ lưc vực

Khai baùo kyù hieäu tieåu löu vöïc

Khai baùo bieåu töôïng nuùt

Kyù hieäu bieåu töôïng ñöôøng oáng

Kyù hieäu nhaõn

Theå hieän caùc giaù trò treân maøn hình

Theå hieän kyù hieäu oáng

Loaïi muõi teân

Maøu neàn



15

Có thể nhập 1 sơ đồ dạng File hay tạo sơ đồ biểu diễn ( trong đề tài này là tạo sơ đồ biểu diễn hoàn toàn mới ).

Để xóa File mặt bằng đô thị vừa dẫn ta vào View Back drop Unload.

Dùng các biểu tượng của lưu vực, cống, nút…. Mô phỏng mặt bằng khu vực.

Do đặc điểm khu vực ở phía bắc có 1 con kênh dùng để dẫn nước thải nên dựa vào đặc điểm này ta vạch hai tuyến thoát nước chính thu toàn bộ nước thải và nước mưa của lưu vực sau đó thải ra kênh, nhằm tận dụng khả năng tự làm sạch của hồ và điều tiết lưu lượng nước thải trong khu vực trước khi thải ra kênh thì nức thải sẽ dược dẫn vào hồ điều tiết.

Hình 10: Sơ đồ mô phỏng mạng lưới thoát nước trong mô hình SWMM

c) Bước 3: Khai báo các thông số của hệ thống c.1. Khai báo đối tượng tiểu lưu vực – Subcatchments

Lưu vực con là một khu vực hứng nước nhỏ trong lưu vực đô thị, trong đó dòng chảy hình thành trong khu vực này đều chảy ra 1 điểm nào đó gọi là cửa ra của lưu vực. Người sử dụng phải chia khu vực nghiên cứu thành các khu vực con, nhỏ cho phù hợp và xác định cửa ra của từng lưu vực. Lưu vực con có thể bao gồm các khu vực thấm nước hoặc không thấm nước.



16

Quá trình thấm trong lưu vực con xuống tầng chưa bão hòa được mô phỏng bằng 1 trong 3 mô hình thấm khác nhau :Horton infiltration, Green-Ampt infiltration, SCS Curve number infiltration (trong đề tài này chọn mô hình thấn Horton).

Bảng thống kê diện tích lưu vực (ha)

Lưu vực 1 1.60 Lưu vực 10 1.61Lưu vực 2 1.27 Lưu vực 11 1.36Lưu vực 3 0.83 Lưu vực 12 0.75Lưu vực 4 1.10 Lưu vực 13 0.71Lưu vực 5 1.02 Lưu vực 14 1.08Lưu vực 6 1.55 Lưu vực 15 1.19Lưu vực 7 1.89 Lưu vực 16 0.82Lưu vực 8 1.37 Lưu vực 17 0.77Lưu vực 9 0.88

Bảng 2 : Diện tích các lưc vực

Vì đây là khu đô thị mới được trải nhựa ở tất cả các con đường nên diện tích vùng thấm gần như chủ yếu trong các nhà dân do đó ta chọn diên tích này bằng 25% diện tích toàn bộ lưu vực, việc phân chia lưu vực dựa vào mặt bằng và cao trình mặt đất.

Hình 11:Giao diện nhập số liệu cho lưu vực

Traïm möa phuï traùch Nuùt nhaän nuôùc Dieän tích löu vöïc ( ha) Chieàu roäng chaûy traøn (m) Ñoä doác maët ñaát ( %) Tyû leä dieän tích khoâng thaám Heä soá nhaùm Maning cuûa vuøng khoâng

thaám & vuøng thaám Lôùp nöôùc tröõ treân vuøng khoâng thaám

& vuøng thaám ( mm) Tyû leä dieän tích hoaøn toaøn khoâng tröõ (%) Kieåu traøn Tyû leä tham gia traøn Phöông trình thaám ( Horton , Grenn-Apt)



17

c.2. Khai báo thông số đo mưa - Rain Gages

Đối với những lưu vực rộng lớn thì sử dụng nhiều cơn mưa khác nhau, ở đây khu vực tính toán trong đề tài là khu vực nhỏ ( 31 ha ) nên chỉ cần lấy một cơn mưa cho toàn lưu vực. Số liệu của mưa thiết kế được lấy từ trạm đo Tân Sơn Nhất là trạm đo mưa tương đối nằm gần quận Bình Chánh.

SWMM cho phép vào số liệu mưa cho một hoặc nhiều lưu vực con trong khu vực nghiên cứu. Số liệu mưa được đưa vào dưới dạng chuỗi số hoặc có thể dưới dạng File.

Hình 12: Giao diện khai báo thông số đo mưa

Các thông số chính của dữ liệu mưa :

o Tên trận mưa (Name)

o Kiểu mưa (Rain Format): bao gồm mưa thời đoạn, mưa thể tích, mưa tích lũy. Trong đề tài sử dụng số liệu mưa theo giờ ( Intensity – mm/h).

o Khoảng thời gian mưa (Rain Interval): là đoạn thời gian giữa các lần ghi giá trị đo mưa.

o Số liệu của trận mưa (Data sourse – Timeseries)



18

o Đơn vị tính ( mm, inch )

o Nhập giá trị trận mưa thiết kế : curves Time Series

Hình 13: Chuỗi thời gian mưa

Hình 14: Đường đặc tính của trận mưa

c.3. Khai báo đối tượng Nút – Junction ( nút thu nước )

Là điểm kết nối giữa các kênh hở, các hố ga chính trong hệ thống cống, hoặc

là điểm nối giữa các đường ống cống, dòng chảy bên ngoài có thể đổ vào các

Junctions này.

Nút thu nước là nơi thu nhận toàn bộ lượng nước trên tiểu lưu vực đó (bao gồm nước mưa chảy tràn trên lưu vực, nước thải). Độ sâu chôn cống được nhập



19

thông qua độ sâu ban đầu của nút, thông thường cống thoát nước phải đặt sâu là để đảm bảo cho nó không bị phá hoại do tác động cơ học gây nên đồng thời cũng nhằm để đảm bảo 1 độ dốc cần thiết, sơ bộ có thể lấy bằng 1,5 m.

Hình 15 : Sơ đồ chôn cống

Hình 16: Giao diện nhập dữ liệu cho nút thu nước

Invert Elev

Z maët ñaát

Max depth Initial depth

Surcharge depth

Löu löôïng nhaäp theâm vaøo nuùt Tra ̣m xử lý Cao ñoä ñaùy hoá ga (m) Chieàu saâu max cuûa hoá ga = Zgr – Z inv Chieàu saâu nöôùc ban ñaàu cuûa hoá ga Chieàu saâu lôùp nöôùc ngaäp khi traøn ra ngoaøi Dieän tích bò ngaäp khi H > Hmax + H surcharge



20

o Khai báo thông số Inflow của Junction ( lưu lượng nhập thêm vào nút )

Hinh17: Giao diện nhập giá trị lưu lượng cho nút

- Q chaûy vaøo heä thoáng ñeán töø nôi khaùc - Khai baùo baèng chuoãi thôøi gian

Nöôùc thaûi sinh hoaït

Khai baùo baèng giaù trò trung bình

Khai baùo baèng Time Pattern

Doøng chaûy phaùt sinh töø löu vöïc khaùc, coù nguoàn goác töø möa, Ñöôïc khai baùo baèng Thuûy ñoà ñôn vò (Unit Hydrograph) vaø dieän tích löu vöïc.



21

c.4. Khai báo đối tượng tuyến thoát nước – Conduit

Là các đường ống cống, các kênh có khả năng vận chuyển nước từ nút này đến nút khác trong hệ thống tiêu thoát nước. Hình dạng mặt cắt ngang của đường ống cống và kênh có rất nhiều hình dạng: tam giác, tròn, hình thang, hình vuông, chữ nhật …các tham số đầu vào của các đường ống và kênh bao gồm:

Hình 18: Giao diện nhập dữ liệu cho cống

Để tiết kiệm diện tích, tận dụng tối đa khả năng dẫn nước, trong đề tài này sử dụng cống tròn có đường kính từ 800mm đến 1200mm.

Nuùt vaøo Nuùt ra

Hình daïng Chieàu saâu max (m) Chieàu daøi (m) Heä soá nhaùm Maning Chieàu cao baäc chaûy vaøo (m) Chieàu cao baäc chaûy ra (m) Löu löôïng ban ñaàu ( m3/s) Heä soá toån thaát cuïc boä ñaàu vaøo (0,5) Heä soá toån thaát cuïc boä ñaàu ra (1) Heä soá toån thaát cuïc boä khaùc treân ñoaïn coáng Van ngaên moät chieàu ( yes = chaûy ra )



22

c.5. Khai báo đối tượng hồ điều hòa - Storage Unit

Tận dụng điều kiện tự nhiên có sẵn nhằm làm giảm chi phí xây dựng trạm xử lý cũng như góp phần điều hòa lưu lượng dòng chảy trong hệ thống trước khi nước thải được xả ra kênh sẽ được dẫn vào hồ, sau đó từ hồ nước sẽ theo cống dẫn và xả ra ngoài cửa xả.

Trong SWMM - EXTRAN sử dụng chương trình Storage để diễn toán hồ chứa. Quá trhình diễn toán sông - hồ theo sơ đồ tổng quát như sau:

Hình 19: Sơ đồ tổng quát diễn toán dòng chảy qua hồ chứa.

Phương trình mô phỏng hồ chứa là phương trình cân bằng thể tích theo mối

quan hệ trên trong bước thời gian Δ t :

OItV

−=ΔΔ ( 2.9)

Trong đó:

OI − Là lượng dòng chảy vào và ra hồ chứa trong thời đoạn Δ t (m3/s) V Là lượng nước trong hồ chứa (m3).

Hình 20: Mối quan hệ giữa chiều sâu và diện tích của hồ-Đường đặc tính của hồ

I (Input) ) V O (Output)



23

Hình 21: Giao diện nhập dữ liệu cho hồ

c.6. Khai báo đối tượng cửa xả – Outfall

Là các nút của hệ thống tiêu thoát nước dùng để xác định các biên cuối cùng của hệ thống ở chế độ chảy sóng động lực học. Các điều kiện biên tại outfall có thể được mô tả bằng 1 trong các trạng thái

quan hệ sau: Độ sâu dòng chảy thông thường hay critical, cao độ ở nhiều mức độ khác nhau, bị ảnh hưởng của triều, hoặc theo chuỗi thời gian.

Cửa xả là nơi tiếp nhận nước từ hồ chứa và đưa ra ngoài kênh. Trong trường hợp này ta xem xét cửa xả không chịu ảnh hưởng của triều và trạng thái chảy là chảy tự do. Do cao trình đáy của hồ điều hòa -2m để nước có thể tự chảy và ngăn không cho bùn cát chảy theo ta chọn cao trình đáy cửa xả là -1,5m.

Doøng chaûy vaøo Traïm xöû lyù Cao ñoä ñaùy (m) Chieàu saâu toái ña (m) Chieàu saâu nöôùc ban ñaàu (m) Dieän tích khu tröõ (m2 ) Heä soá xeùt ñeán boác hôi ( 0 -1) Ñöôøng cong hình daïng hoà

- Teân ñöôøng cong dung tích – Storage Curve



24

Hinh 22: Giao diện nhập dữ liệu của cửa xả

III. Các phương án tính toán

Trong đề tài này tính cho hai trường hợp

Trường hợp 1 : Nhằm kiểm tra khả năng chuyển tải nước thải trong cống và khả năng điều tiết của hồ chứa nên trường hợp này của chỉ xét ở một ảnh hưởng nhỏ của nước triều đến hệ thống thoát nước.

Trường hợp 2 : Để đề tài phù hợp với thực tế và tận dụng hết khả năng mô phỏng của phần mềm thì trong trường này ta xét tới ảnh hưởng của mức nước triều lên hệ thống. Trường hợp bất lợi nhất là khi mưa trong ngày lớn nhất ứng với mực nước triều ngoài kênh là lớn nhất.

Trong cả hai trường hợp này đều tính tiêu thoát nước cho trận mưa kéo dài trong vòng 3 giờ và hệ thống thoát nước phải tiêu trong vòng 30 phút để đảm bảo cho hệ thống không bị ngập và phù hợp với thực tế.

- Löu löôïng nhaäp theâm - Cao ñoä ñaùy (m) - Coù / khoâng coù van ngaên trieàu - Traïng thaùi

Free : chaûy töï do ( khoâng ngaäp )Nor mal : möïc nöôùc taïi cöûa xaû laø doøng ñeàu Fixed : möïc nöôùc taïi cöûa xaû coá ñònhTidal : möïc nöôùc dao ñoäng theo tr ieàu töøng giôø

tr ong ngaøy Time Ser ies : möïc nöôùc dao ñoäng theo thôøi gian



25

IV. Nội dung tính toán Với trường hợp 1 : Từ các thiết lập ở trên ta tiến hành mô phỏng hệ thống

thoát nước

Vào General chọn:

o lựa đơn vị lưu lượng: CMS (m 3 /s)

o mô hình thấm: Horton

o phương pháp lộ trình sóng: sóng động học – Dynamic Wave

o và ấn định việc không cho ngập: Allow Ponding

Hình 23: Giao diện mô phỏng hệ thống thoát nước

Chọn thời điểm bắt đầu quá trình mô phỏng, kết thúc mô phỏng ( do lượng mưa giờ lớn nhất là lúc 16 – 17 - 18 giờ ngày 25/9/1997 nên chọn thời điểm mô tả từ 15h30 và kết thúc lúc 20h.

Doøng oån ñònh Ñoäng hoïc Soùng ñoäng hoïc



26

Hình 24: Giao diện chọn thời gian mô phỏng

Chọn thời gian theo dõi diễn biến chuyển động của nước thải cũng như khả năng điều tiết của hồ ( khoảng thời gian được chọn là 30 phút ).

Hình 25: Giao diện chọn thời gian theo dõi mô phỏng

Thôøi gian baét ñaàu phaân tích Thôøi gian baét ñaàu baùo caùo Thôøi gian keát thuùc phaân tích



27

Chạy mô phỏng: Run

Hình 26: Giao diện chạy mô phỏng

V. Khai thác kết quả : Xem diễn biến dòng chảy của một tuyến nào đó ta vào: Report/Graph/Profile

Hình 27: Giao diện xem diễn biến dòng chảy của 1 tuyến



28

Hình 28 a. Mô phỏng diễn biến của dòng chảy trên tuyến từ nút 1 – cửa xả tại thời điểm đầu trận mưa.

Hình 28 b. Mô phỏng diễn biến của dòng chảy trên tuyến từ nút 1 – cửa xả tại thời điểm kết thúc trận mưa.

Ta thấy tại thời điểm đầu trận mưa hệ thống luôn đảm bảo khả năng chuyền tải nước thải không xảy ra tình trạng ngập, nhưng khi trận mưa kết thúc do có sự xâm nhập của nước mưa cộng với nước thải sẵn có làm hệ thống( tuyến 1 – cửa xả) bị ngập hai nút, nút 1 và nút 2 do lưu lượng trong đường ống quá lớn so với đường kính ống của nó.

Để khắc phục tình trạng ngập của hệ thống thì ta tiến hành khai báo lại các thông số đầu vào của hệ thống ( đường kính ống). Để thay đổi thông số của đối tượng nào đó thì trên hệ thống ta chỉ cần nhấp đúp chuột vào đối tượng đó rồi nhập giá trị mới cho nó.



29

Sau khi khai báo lại thông số đầu vào của hệ thống ( đường kính ống) ta được diễn biến trạng thái dòng chảy trong hệ thống ( tuyến 1 – cửa xả ) như sau:

Hình 29a: Mô phỏng diễn biến của dòng chảy trên tuyến từ nút 1 – cửa xả tại thời điểm đầu trận mưa

Hình 29.b: Mô phỏng diễn biến của dòng chảy trên tuyến từ nút 1 – cửa

xả tại thời điểm kết thúc trận mưa.

Ta thấy tại thời điểm đầu trận mưa và tại thời điểm kết thúc trận mưa hệ thống luôn đảm bảo khả năng chuyền tải không xảy ra tình trạng ngập. Điều đó có nghĩa là việc chọn các thông số đầu vào của hệ thống (đường kính ống) là hợp lý.

Tiến hành các bước tương tự như trên cho tuyến còn lại ta cũng chọn được hệ thống hợp lý.



30

Hình 30: Mô phỏng diễn biến của dòng chảy trên tuyến từ nút 1 – nút 13 tại thời điểm kết thúc trận mưa.

Xem xét khả năng điều tiết của hồ chứa : Table/by object/nodes

Bảng 3: Bảng kết quả tính toán đối với hồ chứa

Từ quá trình diễn biến của dòng chảy trong cống và bảng kết quả của hồ ta thấy tại bất kỳ thời điểm nào của trận mưa thì hồ luôn đảm bảo khả năng tự điều tiết, không bị ngập ( Flooding = 0). Cũng từ kết quả trên ta thấy được mực nước trong hồ cao nhất là 1m điều này giúp ta thiết kế hồ với dung tích hợp lý nhất, vừa đảm bảo khả năng điều tiết của hồ vừa đảm bảo yêu cầu kinh tế.



31

Xem xét lưu lượng nước thải từng đoạn ống, độ đầy, vận tốc dòng chảy Table/by object/link

Bảng 4: Bảng kết quả tại cống số 5

Ta thấy vận tốc nước thải trong đường ống dao động trong khoảng từ 0,76 m/s đến 1,63 m/s. Vận tốc min là 0,76 m/s luôn lớn hơn vận tốc V min = 0,7 m/s (TCVN)(

đối với ống tròn) . Do đó việc chọn đường kính ống và chiều sâu chôn cống cũng như độ dốc cống là hợp lý.

Bảng 5: Bảng kết quả tại cống số 14



32

Xem lưu lượng ứng với từng độ sâu tại nút: Table/by object/nodes

Bảng 6: Bảng kết quả tại cửa xả

Tại bảng kết quả của cửa xả thì độ sâu mực nước tối đa là 0,25 m.

Khi tính toán cho trường hợp cửa xả chịu ảnh hưởng của triều ta sẽ dùng kết quả này để xác định thời điểm cửa van sẽ đóng, cũng như chiều cao của cửa van 1 chiều.

Xem biểu đồ quan hệ giữa các đại lượng ta vào : Report/ Graph/ Scatter

Hình 31: Biểu đồ quan hệ giữa độ sâu mực nước và lưu lượng tại cửa xả



33

Trường hợp 2 : Nhằm nâng cao tính thiết thực của đề tài trường hợp này xem xét ảnh hưởng của triều tới sự chuyển động của nước thải trong hệ thống. Khi đó dòng chảy trong cống là dòng chảy không áp.

o Khai báo mực nước triều : Curves/tidal Curves

Hình 32: Biểu đồ dao động mực nước triều và đường cong đặc tính

Giữ nguyên các thông số đã khai báo ở trên và chạy trong trường hợp ảnh hưởng của triều.

Hình 33 a: Mực nước thải trong cống khi có triều ( tuyến nút 1 – cửa xả )



34

Hình 33 b: Mực nước thải trong cống khi có triều ( tuyến nút 8 – nút 13 ) Ta thấy trên hệ thống xảy ra tình trạng ngập, do mực nước triều quá cao, lưu

lượng chảy từ ngoài kênh vào hệ thống lớn nên trong trường hợp này hồ không còn khả năng điều tiết lưu lượng trong hệ thống.

Giải pháp : Để có thể khắc phục được tình trạng ngập trong hệ thống ta lắp đặt thêm cửa van một chiều điều tiết tự động theo triều tại cửa xả, ứng với mực nước triều lớn đồng thời trong khu vực xảy ra mưa thì sau đó dùng bơm để bơm nước từ hồ ra ngoài kênh.

Để có thể mô tả được van điều tiết và bơm trong hệ thống ta gắn thêm nút số 14, nút số 14 này đóng vai trò như 1 tường chắn có cao trình cao hơn mực nước triều, khi mực nước triều lên thì cửa van một triều sẽ đóng lại khi đó bơm sẽ bơm nước từ hồ ra nút số 14.



35

Hình 34: Sơ đồ hệ thống bố trí van điều tiết và bơm khi có triều

Trong trường hợp 1 tính với trường hợp mực nước triều thấp hơn cửa xả ta đã xác định được mực nước max trong cửa xả là 0.25m ta sẽ dùng mực nước này làm gốc để xác định thời điểm đóng cửa van điều tiết. Khi triều lên sẽ xảy ra hiện tượng nước chảy ngược từ ngoài vào làm mực nước trong cửa xả cao hơn mực nước này khi đó cửa van một triều sẽ phải đóng lại. Cao trình đáy cống là -1,5m mực nước triều cao nhất là 1,47 m để an toàn ta chọn chiều cao của cửa van là 3,5 m.



36

o Khai báo đối tượng cửa van – Outlet : Curves/Rating Curves

Hình 35: Giao diện nhập thông số cho cửa van

Hình 36: Khai báo thông số của cửa van và đường đặc tính

Nút vào Nút ra

Chiều cao so với đáy cống (m) Van một chiều Đường cong đặc tính

Hệ số A của phương trình đường cong đặc tính

Số mũ b của phương trình đường cong đặc tính

Q = AHb



37

o Khai báo đối tượng bơm – Pump

Hình 37: Các thông số khai báo cho bơm

Trong SWMM ta phép ta chọn bơm tùy ý, sau đó chạy mô hình rồi kiểm nghiệm lại kết quả. Việc thử nghiệm sẽ dùng lại khi máy bơm ta chọn phải có khả năng điều tiết lưu lượng trong hệ thống, không còn tình trạng ngập trong hệ thống.

Hình 38: Khai báo thông số bơm và đường đặc tính bơm

Nút vào Nút ra

Tên đường cong đặc tính – Pump Curve Tình trạng ban đầu ( on/off )



38

Bơm được coi là các điểm nối, được sử dụng để tạo đầu nước. Đường cong bơm mô tả mối quan hệ giữa tốc độ bơm và điều kiện của các nút đầu ra và đầu vào.

Tại thời điểm xét nước đã ngập nên trạng thái ban đầu của bơm là đang chạy.

Giữ nguyên các thông số sau khi đã khai báo ở trên ta bắt đầu quá trình mô phỏng trong trường hợp có triều.

Vào General chọn lựa đơn vị lưu lượng, mô hình thấm, phương pháp lộ trình sóng và ấn định chế độ chảy không áp.

Hình 39: Các chế độ lựa chọn cho quá trình mô phỏng

o Chọn Run để bắt đầu quá trình mô phỏng

Hình 40: Chạy mô phỏng



39

Hình 41: Diễn biến của dòng chảy trong cống khi có bơm (tuyến 1 – nút 14)

Hình 42: Diễn biến của dòng chảy trong cống khi có bơm(tuyến nút 8 – nút 13)

• Xem kết quả theo từng đối tượng (Subcatchment( lưu vực), Junction(nút),Storage Units( hồ điều hòa),Conduits(đường ống)…) ta vào Report status và nhận được kết quả như sau:



40

Bảng 7: Bảng kết quả theo từng đối tượng



41

Nhận xét : Từ diễn biến dòng chảy và kết quả cho tại bảng 7 ta thấy tại thời điểm đầu trận mưa và tại thời điểm kết thúc trận mưa hệ thống luôn đảm bảo khả năng chuyền tải không xảy ra tình trạng ngập. Điều đó có nghĩa là việc chọn các thông số đầu vào của hệ thống (đường kính ống, độ sâu chôn cống, độ dốc ) là hợp lý.

Cũng từ diễn biến của dòng chảy trong cống trên tuyến từ nút 1 đến nút 14 ta thấy lưu lượng trong cống sau khi bơm ít không đảm bảo được độ đầy trong cống. Tuy nhiên đây chỉ là tình trạng tạm thời trong đường ống khi mực nước



42

thủy triều lên một cách đột ngột, do đó việc chọn bơm có cao trình bơm, lưu lượng bơm như vậy là hợp lý.

• Với kết quả như trên ta có thể thiết kế hệ thống thoát nước chính cho vùng dự án đang nghiên cứu như sau:

Bảng 8: Thông số thiết kế hệ thống đường ống thoát nước chính

Cống Loại cống Hình dạng

cống

Đường kính cống d m

Chiều dài m

Hệ số nhám

Maning

Đoạn 1-2 Bê tông cốt thépCống tròn Circular 0.4 134.8 0.01



Đoạn 4-5 Bê tông cốt thépCống tròn Circular 0.8 92 0.01








Đoạn 7-13 Bê tông cốt thépCống tròn Circular 1.0 109 0.01

Đoạn 13-Hồ ĐH Bê tông cốt thépCống tròn Circular 1.2 146.4 0.01

Documents

82138110 Huong Dan Su Dung SWMM Tong Dinh Quyet