EPANET 2.0
CẨM NANG DÀNH CHO NGƯỜI
SỬ DỤNG
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1. EPANET là gìEPANET là một chương trình máy tính thực hiện việc mô phỏng thời gian kéo dài (extended period simulation) đối với chế độ thủy lực và chất lượng nước trong các mạng lưới ống có áp. Một mạng lưới bao gồm ống, nút (mối nối ống), bơm, van và các đài nước hay bể lưu trữ. EPANET theo dõi lưu lượng nước trong mỗi ống, áp lực tại mỗi nút, độ cao của nước trong mỗi đài nước, và nồng độ của các loại (species) hóa chất trên toàn mạng lưới trong một khoảng thời gian mô phỏng bao gồm nhiều bước thời gian (time step). Ngoài các loại (species) hóa chất, việc theo dõi (tracing) tuổi và nguồn nước cũng có thể được mô phỏng.
EPANET được thiết kế như là một công cụ nghiên cứu nhằm nâng cao sự hiểu biết của chúng ta về chuyển động và số phận của các thành phần (constituent) nước uống bên trong các hệ thống phân phối. Nó có thể được sử dụng cho nhiều loại ứng dụng khác nhau trong phân tích các hệ thống phân phối. Việc thiết kế chương trình lấy mẫu thử (sampling), định cỡ (calibration) mô hình thủy lực, phân tích lượng Clo dư, và đánh giá mức độ ảnh hưởng (exposure) của khách hàng là một số ví dụ. EPANET có thể giúp đánh giá các chiến lược quản lý lựa chọn (alternative) nhằm cải thiện chất lượng nước trên toàn hệ thống. Những chiến lược này có thể bao gồm:
• Thay thế sự sử dụng nguồn trong nhiều hệ thống nguồn,
• Thay thế các lịch bơm và nạp/xả đài nước,
• Sử dụng xử lý vệ tinh (satellite) chẳng hạn như tái Clo hóa (re-chlorination) tại đài nước,
• Làm sạch và thay thế các ống đích (targeted).
Chạy trong Windows, EPANET cung cấp một môi trường thống nhất (integrated) cho điều chỉnh các số liệu nhập của mạng lưới, vận hành mô
phỏng thủy lực và chất lượng nước và xem các kết quả trong nhiều định dạng khác nhau. Những định dạng này bao gồm các bản đồ mạng lưới được mã màu (color-coded), các bảng số liệu, và các bản vẽ đường viền (contour).
1.2 Các khả năng lập mô hình thủy lực
Lập mô hình đầy đủ và chính xác là điều kiện tiên quyết cho việc lập mô hình chất lượng nước hiệu quả. EPANET chứa một giá trị trung bình phân tích thủy lực tối tân gồm các khả năng sau:
• Không đặt ra giới hạn đối với kích cỡ của mạng lưới mà có thể được phân tích
• Tính toán tổn thất cột áp do ma sát sử dụng các công thức Hazen-Williams, Darcy-Weisbach, hay Chezy-Manning
• Bao gồm những thất thoát cột áp cục bộ đối với các điểm uốn, ống nối v.v...
• Lập mô hình cho máy bơm có tốc độ không đổi hay thay đổi
• Tính toán năng lượng và chi phí bơm
• Lập mô hình nhiều loại van khác nhau bao gồm các van đóng (shut-off), kiểm tra (một chiều) (check), điều hòa áp lực và kiểm soát lưu lượng (flow control).
• Cho phép các đài chứa nước có bất cứ hình dạng nào (có nghĩa là đường kính có thể thay đổi theo độ cao)
• Xem xét nhiều loại nhu cầu tại các nút, với kiểu thay đổi thời gian khác nhau.
• Lập mô hình sự phát ra (issuing) lưu lượng phụ thuộc vào áp lực từ máy phát (emitter) (cột áp bình phun (sprinkler)
• Có thể làm cho vận hành hệ thống được thực hiện dựa trên cả những kiểm soát mức đài nước hay thiết bị bấm giờ (timer) đơn giản lẫn những kiểm soát (controls) dựa trên quy tắc phức tạp.
1.3. Khả năng lập mô hình chất lượng nước
Ngoài lập mô hình thủy lực, EPANET còn cung cấp những khả năng lập mô hình chất lượng nước sau đây:
• Lập mô hình chuyển động của chất chỉ thị (tracer) không phản ứng thông qua mạng lưới theo thời gian
• Lập mô hình chuyển động và số phận của một chất phản ứng khi nó phát triển (ví dụ, một sản phẩm phụ khử trùng) hay phân rã (ví dụ lượng Clo dư) theo thời gian.
• Lập mô hình tuổi của nước trên toàn mạng lưới
• Theo dõi tỉ lệ phần trăm của lưu lượng từ một nút đã cho mà đến được tất cả các nút khác theo thời gian.
• Lập mô hình các phản ứng trong cả lưu lượng khối (bulk) và tại thành ống.
• Sử dụng động lực học thứ n để lập mô hình các phản ứng trong lưu lượng khối (bulk).
• Sử dụng động lực học thứ tự zero hay thứ nhất để lập mô hình phản ứng tại thành ống.
• Giải thích (account for) những giới hạn chuyển khối lượng (mass trasfer) khi lập mô hình các phản ứng tại thành ống.
• Cho phép phản ứng phát triển hay phân rã tiếp diễn tới một nồng độ hạn chế.
• Sử dụng hệ số tốc độ phản ứng mà có thể được sửa đổi trên cơ sở từng ống.
• Cho phép nồng độ thay đổi theo thời gian hay nhập khối lượng (mass inputs) tại bất cứ vị trí nào trong mạng lưới.
• Lập mô hình các đài nước như là các chất phản ứng (reactor) dòng chảy pha trộn hoàn toàn, nút (plug), hay hai ngăn.
Bằng cách sử dụng các đặc điểm này, EPANET có thể nghiên cứu những hiện tượng chất lượng nước như:
• Pha trộn nước từ các nguồn khác nhau
• Tuổi của nước trên toàn bộ hệ thống
• Sự thất thoát của Clo dư
• Sự phát triển của những sản phẩn phụ khử trùng
• Theo dõi những trường hợp truyền chất ô nhiễm.
1.4. Các bước trong sử dụng EPANET
Những bước điển hình sau đây thường được áp dụng khi sử dụng EPANET để lập mô hình hệ thống phân phối nước:
1. Vẽ một hình biểu diễn mạng lưới của hệ thống phân phối của bạn (xem
Phần 6.1) hay nhập một mô tả cơ bản về mạng lưới đặt trong một tập tin văn bản (xem Phần 11.4)
2. Sửa đổi những đặc điểm của các đối tượng tạo thành hệ thống (xem Phần
6.4)
3. Mô tả làm thế nào để vận hành hệ thống (xem Phần 6.5)
4. Chọn tập hợp các lựa chọn phân tích (xem Phần 8.1)
5. Chạy chương trình phân tích thủy lực/chất lượng nước (xem Phần 8.2)
6. Xem các kết quả phân tích (xem Chương 9)
1.5. Về cuốn cẩm nang này
Chương 2 cuốn cẩm nang này mô tả cách cài đặt EPANET và đưa ra một hướng dẫn nhanh về cách sử dụng nó. Những bạn đọc không quen với những điểm căn bản của việc lập mô hình các hệ thống phân phối cũng có thể xem lại Chương 3 trước trước khi đi qua phần hướng dẫn này.
Chương 3 cung cấp tài liệu nền tảng về cách EPANET lập mô hình một hệ thống phân phối nước. Nó hướng dẫn về những thành phần cơ bản tạo thành một hệ thống phân phối cũng như những thông tin lập mô hình bổ sung, chẳng hạn như những thay đổi thời gian và sự kiểm soát vận hành, được kiểm soát như thế nào. Chúng cũng cung cấp một cái nhìn khái quát về việc thực hiện sự mô phỏng bằng thủy lực hệ thống và đặc điểm chất lượng nước.
Chương 4 cho thấy không gian làm việc (workspace) của EPANET được tổ chức như thế nào. Nó mô tả các chức năng của nhiều lựa chọn trình đơn khác nhau và các nút trên Toolbar (thanh công cụ), và cách sử dụng ba cửa sổ chính - Network Map, Browser và Property Editor.
Chương 5 bàn về các tập tin dự án (project file) mà lưu trữ tất cả các thông tin chứa trong mô hình EPANET của một hệ thống phân phối. Nó cho thấy cách tạo ra, mở và lưu những tập tin này cũng như cách định ra những lựa chọn mặc định. Nó cũng bàn đến cách đăng ký dữ liệu định cỡ (calibration data) mà được sử dụng để so sánh các kết quả mô phỏng với những số đo thực tế.
Chương 6 mô tả cách bắt đầu xây dựng một mô hình mạng lưới của hệ thống phân phối với EPANET. Nó cho thấy cách tạo ra nhiều đối tượng khác nhau (ống, bơm, van, mối nối, đài nước v.v...) mà tạo nên một hệ thống, cách sửa đổi đặc điểm của các đối tượng này và cách mô tả sự thay đổi của nhu cầu và vận hành hệ thống theo thời gian.
Chương 7 giải thích cách sử dụng bản đồ mạng lưới mà cung cấp hình ảnh bằng đồ thị về hệ thống đang được lập mô hình. Nó cho thấy cách xem các thông số thiết kế và tính toán khác nhau theo kiểu mã màu (color-coded) trên bản đồ, cách thay đổi tỉ lệ, phóng to thu nhỏ, và quét bản đồ, cách đặt các đối tượng trên bản đồ và những lựa chọn nào sẵn có để tùy biến bề ngoài của bản đồ.
Chương 8 cho thấy cách chạy chương trình phân tích thủy lực/chất lượng nước của mô hình mạng lưới. Nó mô tả nhiều lựa chọn khác nhau mà kiểm soát cách thực hiện sự phân tích và đưa ra một số bí quyết giải quyết rắc rối cần sử dụng khi kiểm tra các kết quả mô phỏng.
Chương 9 bàn đến nhiều cách khác nhau để xem phân tích. Những cách này bao gồm những cách nhìn khác nhau đối với bản đồ mạng lưới, nhiều loại biểu đồ và bảng khác nhau và một vài loại báo cáo đặc biệt.
Chương 10 giải thích cách in và sao chép những hình ảnh được đề cập đến ở chương 9.
Chương 11 mô tả cách EPANET nhập và xuất các chuỗi hiện tượng (scenario). Một chuỗi hiện tượng (scenario) là tập hợp nhỏ các dữ liệu mô tả đặc điểm của các điều kiện hiện tại mà trong đó một mạng lưới ống đang được phân tích (ví dụ như các nhu cầu khách hàng, quy luật vận hành, các hệ số phản ứng chất lượng nước v.v...). Nó cũng bàn đến cách lưu toàn bộ cơ sở dữ liệu của một chương trình vào một tập tin văn bản có thể đọc được và cách xuất bản đồ mạng lưới vào nhiều định dạng khác nhau.
Chương 12 trả lời những câu hỏi về việc EPANET có thể được sử dụng như thế nào để lập mô hình những loại tình huống đặc biệt, chẳng hạn như lập mô hình các đài nước, tìm ra lưu lượng tối đa sẵn có tại một áp lực cụ thể và lập mô hình sự phát triển của các sản phẩm phụ khử trùng.
Cuốn cẩm nang này cũng chứa một số phụ lục. Phụ lục A cung cấp một bảng các đơn vị biểu diễn cho tất cả các thông số thiết kế và tính toán. Phụ lục B là một danh mục các mã thông điệp, lỗi và ý nghĩa của chúng mà chương
trình có thể tạo ra. Phụ lục C mô tả cách chạy EPANET từ một gợi ý dòng lệnh trong cửa sổ DOS và bàn đến định dạng của các tập tin được sử dụng với kiểu vận hành này. Phụ lục D cung cấp các chi tiết của những thủ tục và công thức được sử dụng bởi EPANET trong các thuật toán phân tích thủy lực và chất lượng nước của nó.
CHƯƠNG 2: HƯỚNG DẪN KHỞI ĐẦU NHANH
Chương này hướng dẫn về cách sử dụng EPANET. Nếu bạn không quen với các thành phần tạo thành một hệ thống phân phối nước và cách mô tả chúng trong các mô hình mạng lưới ống thì có thể trước hết bạn phải ôn lại hai phần đầu tiên của Chương 3.
2.1. Cài đặt EPANET.
EPANET Phiên Bản 2.0 được thiết kế để sử dụng được trong hệ điều hành Windows 95/98/NT của máy tính cá nhân tương thích với IBM/Intel. Nó được phân bổ như một tập tin riêng rẽ, en2setup.exe., mà chứa một chương trình cài đặt tự trích (self-extracting). Muốn cài đặt EPANET thì:
1. Chọn Run từ trình đơn Windows Start.
2. Nhập đường dẫn đầy đủ và tên của tập tin en2setup.exe. hay nhấn nút
Browse để đặt nó trong máy tính của bạn.
3. Nhấp nút OK để bắt đầu quá trình cài đặt.
Chương trình cài đặt sẽ yêu cầu bạn chọn folder (directory) nơi các tập tin EPANET sẽ được đặt. Folder mặc định là c:\Program files\EPANET2. Sau khi các tập tin đã được cài đặt trình đơn Start của bạn sẽ có một mục mới mang tên là EPANET 2.0. Muốn mở EPANET chỉ cần chọn mục này từ trình đơn Start, sau đó chọn EPANET 2.0 từ trình đơn nhỏ mà xuất hiện trên màn hình. (Tên của tập tin có thể sử dụng để chạy EPANET trong Windows là epanet2w.exe.)
Nếu bạn muốn xoá EPANET ra khỏi máy tính của bạn, bạn có thể sử dụng quy trình sau:
1. Chọn Settings từ trình đơn Windows Start.
2. Chọn Control Panel từ trình đơn Settings
3. Nhấp đúp lên mục Add/Remove Programs
4. Chọn EPANET 2.0 từ danh mục của các chương trình mà xuất hiện trên
màn hình.
5. Nhấp nút Add/Remove.
2.2. Ví dụ mạng lưới.
Trong phần hướng dẫn này chúng tôi sẽ phân tích mạng lưới phân phối đơn giản được biểu diễn trong Hình 2.1 bên dưới. Nó bao gồm một bể chứa nguồn (ví dụ như: giếng, sông của nhà máy xử lý) mà từ đó nước được bơm vào một mạng lưới đường ống hai đường nhánh. Cũng có một ống dẫn tới một đài chứa nước mà nổi bên trên hệ thống. Các nhãn ID (ID label) cho nhiều thành phần khác nhau được biểu diễn trong hình. Các nút trong mạng lưới có các đặc điểm được biểu diễn trong Bảng 2.1. Các đặc điểm ống được liệt kê trong Bảng 2.2. Ngoài ra, máy bơm (9) có thể cung cấp một cột áp bằng 45m với một lưu lượng (162 m3/h) , và đài nước (Nút 8) có đường kính 18m, mức nước 1.05m, và mực nước tối đa 6m.
Bảng 2.1 Ví Dụ Các Đặc Điểm Của Mạng Lưới Oáng Nút Độ cao (m) Nhu cầu (m3/h)
1 2 3 4 5 6 7 8 210 210 213 210 195 210 210 249 0 0 40 40 54 40 0 0
Bảng 2.2 Ví Dụ Các Đặc Điểm Của Mạng Lưới Oáng Nút Chiều dài (m) Đường kính (mm) Yếu tố C 1 2 3 4 5 6 7 8 900 1500 1500 1500 1500 2100 1500 2100 350 300 200 200 200 250 150 150 100 100 100 100 100 100 100 100 2.3. Mặc định ban đầu 11
Nhiệm vụ đầu tiên của chúng ta là tạo ra một thiết lập mới trong EPANET và đảm bảo rằng các lựa chọn mặc định nhất định được chọn. Để bắt đầu, hãy mở EPANET, hay nếu như nó đang chạy rồi thì chọn File >> New (từ thanh trình đơn) để tạo ra một thiết lập mới. Sau đó chọn Project >> Defaults để mở biểu mẫu hộp thoại được biểu diễn trong Hình 2.2. Chúng ta sẽ sử dụng hộp thoại này để yêu cầu EPANET tự động tạo nhãn cho các đối tượng mới bằng những số liên tiếp bắt đầu từ 1 khi chúng được cộng thêm vào mạng lưới. Trên trang ID Labels của hộp thoại, hãy xóa tất cả các trường ID Prefix và định ID Increment bằng 1. Sau đó chọn trang Hydraulics (thủy lực) của hộp thoại và định chọn lựa Flow Units (đơn vị lưu lượng) là CMH (m3/giờ). Điều này ngụ ý rằng các đơn vị US Customary (Mỹ) cũng sẽ được sử dụng cho tất cả các lượng nước khác (chiều dài tính bằng m, đường kính ống tính bằng mm, áp lực tính bằng psi v.v...). Cũng hãy chọn công thức Hazen-Williams (H-W) để tính tổn thất cột áp. Nếu bạn muốn lưu các lựa chọn này cho tất cả các project mới trong tương lai bạn có thể đánh dấu kiểm (check) hộp Save ở dưới đáy của biểu trước khi chấp nhận nó bằng cách nhấp nút OK.
Hình 2.2 Hộp thoại Project Defaults
Tiếp theo chúng ta sẽ chọn một số lựa chọn hiển thị bản đồ sau cho khi chúng ta thêm các đối tượng vào bản đồ, chúng ta sẽ nhìn thấy nhãn ID (ID label) của chúng và các biểu tượng (symbol) được hiển thị. Chọn View >> Options để hiện ra biểu thoại Map Options. Chọn trang Notation trên biểu này và đánh dấu kiểm (check) các cài đặt (settings) được biểu diễn trong Hình 2.3 bên dưới. Sau đó chuyển sang trang Symbols và đánh dấu kiểm (check) tất cả các hộp. Nhấp nút OK để chấp nhận những lựa chọn này và đóng hộp thoại lại.
Cuối cùng, trước khi vẽ mạng lưới của chúng ta chúng ta phải đảm bảo rằng các cài đặt tỉ lệ bản đồ của chúng ta là chấp nhận được. Chọn View >> Dimensions để làm hiện ra hộp thoại Map Dimensions. Lưu ý các kích cỡ mặc định được gán cho một project mới. Những cài đặt này sẽ đáp ứng ví dụ này, do đó hãy nhấp nút OK.
Hình 2.3 Hộp thoại Map Options
2.4 Vẽ Mạng Lưới
Bây giờ chúng ta sẵn sàng bắt đầu vẽ mạng lưới của chúng ta bằng cách sử dụng con chuột và các nút nằm trên Map Toolbar (Thanh Công Cụ Bản Đồ) được biểu diễn bên dưới. (Nếu thanh công cụ không nhìn thấy được hãy chọn View >> Toolbar >> Map).
Trước hết chúng ta sẽ thêm vào bể chứa. Nhấp nút Reservoir .Sau đó nhấp chuột trên bản đồ tại địa điểm của bể chứa (ở đâu đó phía bên trái của bản đồ).
Sau đó chúng ta sẽ thêm vào các nút mối nối. Nhấp nút Junction và sau đó nhấp vào bản đồ tại các địa điểm của các nút từ 2 tới 7.
Cuối cùng ta thêm đài nước vào bằng cách nhấp nút Tank và nhấp bản đồ nơi có đài nước. Tại điểm này bản đồ mạng lưới (Network Map) phải có dạng như bản vẽ trong Hình 2.4.
Hình 2.4 Bản Đồ Mạng Lưới (Network Map) sau khi thêm các nút Sau đó chúng ta sẽ thêm các ống vào. Hãy bắt đầu với ống 1 nối nút 2 với nút 3. Trước hết nhấp nút Pipe trên Toolbar (thanh công cụ). Sau đó nhấp chuột trên nút 2 trên bản đồ và sau đó trên nút 3. Lưu ý cách vẽ sơ đồ của ống khi bạn di chuyển con chuột từ nút 2 tới nút 3. Hãy lặp lại quy trình này cho các ống từ 2 tới 7.
Pipe 8 có hình đường cong. Muốn vẽ nó, hãy nhấp chuột trước trên Nút 5. Sau đó khi bạn di chuyển con chuột tới nút 6, hãy nhấp tại những điểm mà cần đến một sự duy trì hướng để duy trì hình dạng mong muốn. Hãy hoàn thành quá trình bằng cách nhấp vào Nút 6.
Cuối cùng chúng ta sẽ thêm máy bơm vào. Hãy nhấp nút PumpĠ, nhấp vào nút 1 và sau đó nút 2. Sau đó chúng ta sẽ tạo nhãn cho bể chứa, máy bơm và đài nước. Hãy chọn nút Text trên Map Toolbar và nhấp vào một nơi nào đó để đóng bể chứa lại (Nút 1). Một hộp điều chỉnh sẽ xuất hiên. Hãy đánh máy vào từ SOURCE và sau đó gõ phím Enter. Nhấp bên cạnh máy bơm và sau đó nhập nhãn của nó vào, rồi làm tương tự cho đài nước. Sau đó nhấp nút Selection trên Toolbar (thanh công cụ) để đưa bản đồ vào chế độ Object Selection thay vì chế độ Text Insertion.
Tại thời điểm này chúng ta hoàn thành việc vẽ mạng lưới ví dụ. Network Map của bạn phải trông như bản đồ ở Hình 2.1. Nếu các nút nằm sai vị trí bạn có thể di chuyển chúng bằng cách nhấp vào nút để chọn nó, và sau đó kéo nó với nút chuột trái giữ nguyên ở vị trí mới của nó. Chú ý xem các ống nối với nút được di chuyển cùng với nút như thế nào. Các nhãn có thể được thay đổi vị trí theo kiểu tương tự. Muốn tạo hình lại cho Pipe 8 có dạng đường cong:
1. Trước hết nhấp lên Pipe 8 để chọn nó và sau đó nhấp nút định vị trên
Map Toolbar để đưa bản đồ vào chế chộ Vertex Selection.
2. Chọn một điểm đỉnh (vertex) trên ống bằng cách nhấp lên nó và sau đó kéo nó tới một vị trí mới với nút chuột trái giữ nguyên.
3. Nếu cần, các đỉnh có thể được thêm vào hay xóa khỏi ống bằng cách
nhấp chuột phải và chọn lựa chọn phù hợp từ trình đơn popup xuất hiện trên màn hình.
4. Khi kết thúc, nhấp để trở lại chế độ Object Selection.
2.5 Định các đặc tính của đối tượng (Object Properties)
Khi các đối tượng được thêm một project chúng được gán cho một tập hợp các đặc điểm mặc định. Muốn thay đổi giá trị của một đặc điểm cụ thể cho một đối tượng ta phải chọn đối tượng vào Property Editor (Hình 2.5). Có một số cách khác nhau để làm điều này. Nếu Editor đã nhìn thấy được thì bạn có thể làm cho nó xuất hiện bằng một trong những bước sau đây:
• Nhấp đúp vào đối tượng trên bản đồ.
• Nhấp phải lên đối tượng và chọn Properties từ trình đơn popup xuất hiện trên màn hình.
• Chọn đối tượng từ trang Data của cửa sổ Browser và sau đó nhấp nút Browser’s Edit.
Mỗi khi Property Editor có điểm tập trung bạn có thể nhấn phím F1 để có được những mô tả đầy đủ hơn của các đặc điểm liệt kê
Hình 2.5 Property Editor
Chúng ta hãy bắt đầu sửa đổi bằng cách chọn nút 2 vào Property Editor như biểu diễn ở trên. Bây giờ chúng ta nhập độ cao và nhu cầu cho nút này trong những trường hợp thích hợp. Bạn có thể sử dụng các mũi tên Up và Down trên bàn phím hay con chuột để di chuyển giữa các trường này. Chúng ta chỉ cần nhấp lên một đối tượng khác (nút hay mối nối) để làm cho các đặc điểm của nó xuất hiện tiếp trên Property Editor. (Chúng ta cũng có thể nhấn phím page down hay page up để di chuyển tới đối tượng tiếp theo hay đối tượng trước thuộc cùng loại trong cơ sở dữ liệu) Như vậy chúng ta có thể chỉ cần di chuyển từ đối tượng này sang đối tượng khác và điền vào độ cao và nhu cầu cho các nút, chiều dài, đường kính và độ nhám (yếu tố C) cho các mối nối.
Đối với đài nước bạn sẽ nhập độ cao của nó (700) trong trường Total Head (Tổng cột áp). Đối với đài nước, nhấp 830 cho độ cao của nó, 4 cho mức nước ban đầu, 20 cho mức nước tối đa của nó, và 60 cho đường kính của nó. Đối với máy bơm, chúng ta cần phải ấn định cho nó một đường cong máy bơm (mối quan hệ giữa cột áp và lưu lượng). Nhập nhãn ID (ID label) 1 trong trường Pump Curve.
Tiếp theo chúng ta sẽ tạo ra Pump Curve 1. Từ trang Data của cửa sổ Browser, chọn Curves từ ô danh mục kéo và sau đó nhấp nút Add Một Curve 1 mới sẽ được thêm vào cơ sở dữ liệu và biểu thoại Curve Editor sẽ xuất hiện (xem Hình 2.6). Hãy nhập lưu lượng thiết kế máy bơm (600) và cột áp (150) vào biểu này. Phươn trình của đường cong được biểu diễn cùng với hình dạng của nó. Nhấp OK để đóng Editor.
Hình 2.6 Curve Editor 2.6 Lưu và mở các dự án (Project)
Sau khi đã hoàn thành thiết kế ban đầu của mạng lưới của chúng ta, cần phải lưu lại công việc của chúng ta vào một tập tin vào thời điểm này.
1. Từ trình đơn File chọn lựa chọn Save as
2. Trong hộp thoại Save as xuất hiện trên màn hình, chọn tên một ngăn
ngừa và tập tin để lưu project này. Chúng tôi đề nghị nên đặt tên cho tập tin này là tutorial.net. (Một phần mở rộng.net sẽ được thêm vào tên tập tin nếu ta không đặt).
3. Nhấp OK để lưu project này vào tập tin.
Các dữ liệu của project được lưu vào tập tin trong một định dạng nhị phân đặc biệt. Nếu bạn muốn lưu các dữ liệu mạng lưới vào tập tin dưới dạng văn bản có thể đọc được, hãy sử dụng lệnh file >> Export >> Network thay vào đó.
Muốn mở project , chúng ta chọn lệnh Open từ trình đơn File.
2.7 Vận hành một phân tích khoảng thời gian riêng rẽ
Bây giờ chúng ta có đủ thông tin để vận hành một phân tích thủy lực khoảng thời gian riêng rẽ (hay ảnh chụp nhanh) trên mạng lưới ví dụ của chúng ta. Để vận hành sự phân tích chọn Project >> Run Analysis hay nhấp nút Run trên Standard Toolbar. (Nếu thanh công cụ không nhìn thấy được hãy chọn View >> Toolbars >> Standard từ thanh trình đơn.)
Nếu sự vận hành không thành công, một cửa sổ Status Report sẽ xuất hiện cho thấy vấn đề xảy ra. Nếu nó vận hành thành công, bạn có thể xem các kết quả tính toán theo nhiều cách. Hãy thử một số trong các cách sau:
• Chọn Node Pressure từ trang Browser’s Map và quan sát các giá trị áp lực tại các nút trở nên được mã màu (color-coded) như thế nào. Muốn xem lời chú giải cho việc mã màu (color-coding), hãy chọn View >> Legends >> Node (hay nhấp phải trên một phần trống của bản đồ và chọn Node Legend từ trình đơn popup). Muốn thay đổi khoảng cách và màu của lời chú giải, hãy nhấp phải trên lời chú giải để làm cho Legend Editor xuất hiện.
• Làm xuất hiện Property Editor (nhấp đúp trên bất cứ nút hay mối nối nào) và lưu ý các kết quả tính toán được hiển thị ở cuối danh mục đặc điểm.
• Hãy tạo ra một danh sách kết quả bằng bảng biểu bằng cách chọn Report >> Table (hay bằng cách nhấp nút Table trên Standard Toolbar). Hình 2.7 hiển thị một bảng như vậy cho các kết quả mắt xích của khoảng này. Lưu ý rằng các lưu lượng với các dấu âm có nghĩa là lưu lượng ở hướng đối lập với hướng mà ống được vẽ ban đầu.
Hình 2.7 Bảng ví dụ các kết quả mối nối
2.8 Vận hành một phân tích thời gian kéo dài (Extended Period)
Để làm cho mạng lưới của chúng ta hiện thực hơn cho việc phân tích một thời gian vận hành kéo dài chúng ta sẽ tạo ra một kiểu thời gian mà đặt ra các lệnh tại các nút they đổi một cách định kỳ trong ngày. Đối với ví dụ đơn giản này chúng ra sẽ sử dụng một bước thời gian mô hình 6 giờ như vậy làm cho các lệnh thay đổi vào bốn thời gian khác nhau trong ngày (một bước thời gian Pattern 1 giờ là một con số tiêu biểu hơn và là sự mặc định gán cho các project mới.) Chúng ta định ra bước thời gian mô hình bằng cách chọn Options-Times từ Data Browser, nhấp nút Browser’s Edit để làm cho Property Editor xuất hiện (nếu như nó không nhìn thấy được), và nhập 6 cho giá trị của Bước Thời Gian Mô Hình (như được biểu diễn trong Hình 2.8 bên dưới). Trong khi chúng ta có Time Options sẵn có chúng ta cũng định ra khoảng thời gian mà chúng ta muốn thời gian kéo dài (extended period simulation) vận hành. Hãy sử dụng một khoảng thời gian 3 ngày (nhập 72 giờ cho đặc điểm Duration).
Hình 2.8 Times Options
Muốn tạo ra mô hình, hãy chọn loại Patterns trong Browser và sau đó nhấp nút Add. Một Pattern 1 mới sẽ được tạo ra và hộp thoại Pattern Editor sẽ xuất hiện (Xem Hình 2.9). Hãy nhập các giá trị 0,5; 1,3;, 1,0; 1,2 cho các khoảng thời gian 1 tới 4 mà sẽ cho mô hình của chúng ta một khoảng thời gian là 24 giờ. Các số nhân được sử dụng để sửa đổi nhu cầu từ mức căn bản của nó trong mỗi khoảng thời gian. Vì chúng ta đang tạo ra một vận hành 72 giờ, mô hình sẽ bao quanh để bắt đầu sau mỗi khoảng thời gian 24 giờ.
Hình 2.9 Pattern Editor
Bây giờ chúng ta cần phải ấn định Pattern 1 cho đặc điểm Damand Pattern của tất cả các mối nối trong mạng lưới của chúng ta. Chúng ta có thể sử dụng một trong các Hydraulic Options của EPANET để tránh việc phải sửa đổi mỗi mối nối một cách riêng rẽ. Nếu bạn làm xuất hiện Hydraulic Options trong Property Editor bạn sẽ thấy rằng có một mục gọi là Default Pattern. Việc định cho giá trị của nó bằng 1 sẽ làm cho Demand Pattern tại mỗi mối nối bằng Pattern 1, một khi không có mô hình nào khác được gán cho mối nối.
Tiếp theo vận hành sự phân tích (chọn Project >> Run Analysis hay nhấp nút định vị trên Standard Toolbar). Đối với phân tích khoảng thời gian kéo dài (extended period) bạn có một số cách nữa để xem kết quả:
• Thanh cuộn trong các nút kiểm soát Time của Browser được sử dụng để hiển thị bản đồ mạng lưới tại những thời điểm khác nhau. Hãy thử thực hiện điều này với Pressure được chọn như là thông số nút và Flow như là thông số mối nối.
• Các nút theo kiểu VCR trong Browser có thể kích hoạt bản đồ theo thời gian. Hãy nhấp nút Forward (chạy tới) để bắt đầu kích hoạt và nút Stop để ngưng nó lại.
• Hãy thêm các mũi tên hướng dòng chảy vào bản đồ (chọn View >> Options, chọn trang Flow Arrows từ hộp thoại Map Options, và đánh dấu kiểm (check) một kiểu mũi tên mà bạn muốn sử dụng). Sau đó hãy bắt đầu kích hoạt lại và lưu ý sự thay đổi hướng dòng chảy qua ống nối với đài nước khi đài nước nhận nước và xả nước theo thời gian.
• Hãy tạo ra một bản vẽ loạt thời gian cho bất cứ nút hay mối nối nào. Ví dụ, muốn xem độ cao của nước trong đài nước thay đổi như thế nào theo thời gian:
1. Nhấp vào đài nước.
2. Chọn Report >> Graph (hay nhấp nút Graph trên Standard Toolbar)
mà sẽ hiển thị một hộp thoại Graph Selection.
3. Hãy chọn nút Time Series trên hộp thoại.
4. Chọn Head như là thông số để vẽ.
5. Nhấp OK để chấp nhận việc chọn biểu đồ của bạn.
Hãy lưu ý hành vi định kỳ của độ cao nước trong đài nước theo thời gian (Hình 2.10)
Hình 2.10 Ví Dụ Bản Vẽ Loạt Thời Gian 2.9 Vận Hành Một Phân Tích Chất Lượng Nước
Tiếp theo chúng tôi cho thấy cách kéo dài phân tích mạng lưới mẫu của chúng tôi để bao gồm chất lượng nước. Trường hợp đơn giản nhất là theo dõi sự phát triển của tuổi của nước trên toàn bộ mạng lưới theo thời gian. Để thực hiện phân tích này chúng ta chỉ phải chọn Age cho đặc điểm Parameter trong Quality Options (chọn Quality Options từ trang Data của Browser, sau đó nhấp nút Edit Browser để làm cho Property Editor xuất hiện.) Hãy vận hành phân tích và chọn Age như là thông số để xem trên bản đồ. Hay tạo ra một bản vẽ loạt thời gian cho Age trong đài nước. Lưu ý rằng không như mức nước, 72 giờ không phải là đủ thời gian để đài nước đạt tới hành vi định kỳ cho tuổi của nước. (Điều kiện mặc định ban đầu là bắt đầu tất cả các nút với tuổi bằng 0.) Hãy thử lặp lại việc mô phỏng sử dụng một khoảng thời gian 240 giờ hay ấn định một tuổi ban đầu bằng 60 giờ cho đài nước (nhập 60 như là giá trị của Initial Quality trong Property Editor cho đài nước).
Cuối cùng chúng tôi cho thấy cách mô phỏng sự vận chuyển và hư hỏng (decay) của Clo qua mạng lưới. Hãy thực hiện những thay đổi sau cho cơ sở dữ liệu:
1. Chọn Options-Quality để sửa đổi từ Data Browser. Trong trường Property
Editor’s Parameter hãy gõ vào từ Chlorine.
2. Hãy chuyển sang Options-Reactions trong Browser. Đối với Global Bulk
Coefficient hãy nhập một giá trị bằng -1,0. Điều này phản ánh tốc độ mà tại đó Clo sẽ bị phân rã do những phản ứng trong lưu lượng khối theo thời gian. Tốc độ này sẽ áp dụng cho tất cả các ống trong mạng lưới. Bạn có thể sửa đổi giá trị này cho các ống riêng rẽ nếu bạn cần.
3. Hãy nhấp vào nút đài nước và ấn đĩnh Initial Quality của nó bằng 1,0.
Đây sẽ là nồng độ Clo mà liên tục đi vào mạng lưới. (Hãy ấn định lại chất lượng ban đầu trong Tank bằng 0 nếu như bạn đã thay đổi đó)
Bây giờ hãy vận hành ví dụ. Hãy sử dụng các nút kiểm soát Time trên Map Browser để xem các mức Clo thay đổi theo vị trí và thời gian như thế nào trên toàn bộ sự mô phỏng. Hãy lưu ý đối với mạng lưới đơn giản này, chỉ có các mối nối 5, 6, và 7 nhìn thấy các mức Clo bị giảm xuống do được cung cấp bởi nước Clo thấp từ đài nước. Hãy tạo ra một Reaction Report (Báo Cáo Phản Ứng) cho sự vận hành này bằng cách chọn Report >> Reaction từ trình đơn chính. Báo cáo này phải trông như Hình 2.11. Nó cho thấy trung bình lượng Clo thất thoát là bao nhiêu xảy ra trong các ống đối lập với đài nước. Thuật ngữ “khối” chỉ các phản ứng xảy ra trong chất lỏng khối trong khi “thành” chỉ các phản ứng với vật liệu trên thành ống. Phản ứng sau bằng zero vì chúng ta đã không định rõ bất cứ hệ số phản ứng thành nào trong ví dụ này.
Hình 2.11 Ví Dụ Về Reaction Report (Báo Cáo Phản Ứng)
Chúng ta chỉ mới chạm tới bề mặt của nhiều khả năng khác nhau mà EPANET cung cấp. Một số đặc điểm nữa của chương trình mà bạn phải thử nghiệm là:
• Sửa đổi một đặc điểm cho một nhóm các đối tượng nằm bên trong một khu vực xác định bởi người sử dụng.
• Sử dụng các câu trình bày Control để dựa sự vận hành máy bơm vào thời gian trong ngày hay các mức nước đài nước.
• Khảo sát các Map Options khác nhau, chẳng hạn như làm cho kích cỡ của nút liên quan tới giá trị.
• Gắn một bản đồ backdrop (chẳng hạn như một bản đồ đường phố) vào bản đồ mạng lưới.
• Tạo ra nhiều loại biểu đồ khác nhau, chẳng hạn như các bản vẽ mặt cắt và các bản vẽ đườg đồng mức.
• Thêm các số liệu định cỡ vào một project và xem một báo cáo định cỡ.
• Sao chép bản đồ, biểu đồ, hay một báo cáo vào vùng lưu trữ tạm hay một tập tin.
• Lưu và xem lại một kịch bản thiết kế (có nghĩa là, các nhu cầu nút hiện tại, các giá trị độ nhám ống v.v...)
CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH MẠNG LƯỚI
Chương này bàn về cách EPANET lập mô hình các đối tượng vật lý mà tạo thành một hệ thống phân phối cũng như các thông số vận hành của nó. Các chi tiết về việc thông tin này được nhập vào chương trình như thế nào được hiển thị trong các chương sau. Một phần khái quát cũng được cung cấp theo các phương pháp tính toán mà EPANET sử dụng để mô phỏng hành vi thủy lực và vận chuyển chất lượng nước.
3.1 Các Thành Phần cơ bản
EPANET lập mô hình một hệ thống phân phối như là một tập hợp các mắt xích được nối với các nút. Các mắt xích đại diện cho các ống, máy bơm, và van điều khiển. Các nút đại diện cho các mối nối, đài nước, và bể chứa. Hình dưới đây minh họa các đối tượng này có thể được nối với nhau như thế nào để tạo thành một mạng lưới.
Hình 3.1 Các Thành Phần Cơ bản Trong Một Hệ Thống Phân Phối Nước Các Mối Nối
Các mối nối là những điểm trong mạng lưới nơi các mắt xích nối lại với nhau và nơi nước đi vào hay ra khỏi mạng lưới. Các số liệu đầu vào căn bản được đòi hỏi cho các mối nối là:
• độ cao bên trên một chuẩn nào đó (thường có nghĩa là mực nước biển trung bình)
• Nhu cầu nước (tốc độ rút nước từ mạng lưới)
• Chất lượng nước ban đầu.
Các kết quả đầu ra được tính toán cho các mối nối trong mọi khoảng thời gian mô phỏng là:
• Cột áp thủy lực (năng lượng bên trong trên trọng lượng đơn vị của chất lỏng)
• áp lực
• Chất lượng nước Các mối nối cũng có thể:
• Có nhu cầu thay đổi theo thời gian
• Có nhiều loại nhu cầu khác nhau ấn định cho chúng
• Có các nhu cầu âm chỉ ra rằng nước đang đi vào mạng lưới
• Chứa các emitter (hay bình phun (sprinkler) mà làm cho tốc độ dòng chảy ra phụ thuộc vào áp lực.
Bể Chứa
Bể chứa là những nút đại diện cho nguồn nước bên ngoài hay không xác định tới mạng lưới. Chúng được sử dụng để lập mô hình cho những thứ như hồ, sông, các tầng ngậm nước ngầm, và các tie-ins tới những hệ thống khác. Các bể chứa cũng có thể đóng vai trò như là những điểm nguồn chất lượng nước.
Các đặc điểm đầu vào đầu tiên cho bể chứa là cột áp thủy lực của nó (bằng với độ cao mặt nước nếu bể chứa không có áp) và chất lượng ban đầu của nó cho phân tích chất lượng nước.
Vì bể chứa là một điểm ranh giới tới một mạng lưới, cột áp và chất lượng nước của nó không thể bị ảnh hưởng bởi những gì xảy ra bên trong mạng lưới. Do đó nó không có các đặc điểm đầu ra theo tính toán. Tuy nhiên cột áp của nó có thể được làm cho thay đổi theo thời gian bằng cách ấn định một mô hình thời gian cho nó (xem Time Patterns (Các Mô Hình Thời Gian bên dưới).
Đài Nước
Đài nước là các nút với khả năng lưu trữ, nơi lượng nước lưu trữ có thể thay đổi theo thời gian trong mộtsự mô phỏng. Các đặc điểm đầu vào ban đầu cho các đài nước là:
• độ cao đáy (nơi mực nước bằng không)
• đường kính (hay hình dạng nếu không phải hình trụ)
• Các mực nước ban đầu, trung bình hay tối đa
• Chất lượng nước ban đầu.
Các đầu ra chính được tính theo thời gian là:
• cột áp thủy lực (độ cao mặt nước)
• chất lượng nước.
Các đài nước đòi hỏi phải vận hành trong phạm vi mức tối thiểu và tối đa của chúng. EPANET ngưng dòng chảy ra nếu một đài nước ở mức tối thiểu của nó và ngưng dòng chảy vào nếu nó ở mức tối đa. Các đài nước cũng có thể đóng vai trò như là các điểm nguồn chất lượng nước.
Đoạn ống được nối để vận chuyển nước từ một điểm trong mạng lưới đến một điểm khác. Epanet chấp nhận đầy đủ tất cả các đoạn ống ở tất cả thời điểm. Hướng lưu lượng bắt đầu từ điểm có cột áp cao đến nơi có cột áp thấp. Các số liệu thủy lực chủ yếu đặt vào trong đoạn ống là:
• Nút dầu và nút cuối
• Đường kính ống
• Chiều dài
• Hệ số tổn thất áp lực trong ống
• Hiện trạng (mở, đóng hoặc chứa van)
Kết quả tính toán cho các ống bao gồm:
• Tốc độ dòng chảy
• Vận tốc
• Tổn thất cột áp
• Yếu tố ma sát Darcy-Weisbach
• Tốc độ phản ứng trung bình (trên chiều dài ống)
• Chất lượng nước trung bình (trên chiều dài ống)
Cột áp thủy lực bị thất thoát bởi nước chảy trong ống do ma sát với thành ống có thể được tính toán sử dụng một trong ba công thức khác nhau:
• Công thức Hazen-Williams
• Công thức Darcy-Weisbach
• Công thức Chezy-Manning
Công thức Hazen-Williams là công thức tổn thất cột áp thường được sử dụng nhất tại Mỹ. Nó không thể được sử dụng cho các chất lỏng khác ngoài nước và ban đầu chỉ được phát triển cho dòng chảy rối. Công thức Darcy-Weisbach đúng nhất về mặt lý thuyết. Nó được áp dụng cho tất cả các chế độ dòng chảy và cho tất cả các chất lỏng. Công thức Chezy-Manning được sử dụng phổ biến hơn cho dòng chảy trong kênh mở.
Mỗi công thức sử dụng phương trình sau để tính toán tổn thất cột áp giữa nút đầu và nút cuối của ống:
hL = AqB
trong đó hL = tổn thất cột áp (m), q = tốc độ dòng chảy (Lượng nước/thời gian), A = hệ số sức cản, và B = số mũ lưu lượng. Bảng 3.1 liệt kê các biểu thức cho hệ số sức cản và các giá trị cho số mũ lưu lượng cho mỗi công thức. Mỗi công thức sử dụng một hệ số độ nhám ống khác nhau mà phải được xác định theo kinh nghiệm. Bảng 3.2 liệt kê các phạm vi chung của những hệ số này cho các loại vật liệu ống mới khác nhau. Hãy chú ý rằng hệ số độ nhám ống có thể thay đổi đáng kể theo tuổi.
Với công thức Darcy-Weisbach EPANET sử dụng các phương pháp khác nhau để tính toán yếu tố ma sát f tùy thuộc vào chế độ dòng chảy:
• Công thức Hagen-Poiseuille được sử dụng cho dòng chảy tầng (Re < 2.000).
• Con số xấp xỉ Swamee và Jain với phương trình Colebrook-White được sử dụng cho dòng chảy rối (Re>4.000).
• Một phép nội suy (interpolation) khối từ Moody Diagram (Biểu Đồ) được sử dụng cho dòng chảy chuyển tiếp (2.000 < Re < 4.000).
Hãy tham khảo Phụ Lục D về các phương trình thực tế được sử dụng.
(cho tổn thất cột áp tính bằng ft và tốc độ dòng chảy tính bằng cf) Công thức Hệ số sức cản (A) Số mũ lưu lượng (B) Hazen-Williams 4,727 C-1,852d-4,871L 1,852 Darcy-Weisbach 0,0252f(ε , d, q)-5L 2 Chezy-Manning 4,66n2d-5,33L 2 Lưu ý: C = hệ số nhám Hazen-Williams ε = hệ số nhám Darcy-Weisbach (ft)
f = yếu tố ma sát (phụ thuộc vào ε , d, và q)
n = hệ số độ nhám Manning d = đường kính ống (ft) L = chiều dài ống (ft) q = tốc độ dòng chảy (cfs) Bảng 3.2 Các Hệ Số Độ Nhám Cho Ống Mới Vật liệu Hazen-Williams C (không có đơn vị) Darcy-Weisbach (ft x 103) n của Manning (không có đơn vị) Gang xám 130-140 0,85 0,012-0,015 Bê tông hay bê tông lót 120-140 1,0-10 0,012-0,017 Sắt tráng kẽm 120 0,5 0,015-0,017 Nhựa 140-150 0,005 0,011-0,015 Thép 140-150 0,15 0,015-0,017 31
Men sứ 110 0,013-0,015 Các ống có thể được định cho mở hay đóng vào những thời gian hiện tại hay khi những điều kiện cụ thể tồn tại, chẳng hạn như khi các mực nước đài nước giảm xuống dưới hay trên một số điểm ấn định, hay khi các áp lực nút giảm xuống dưới hay trên một số giá trị. Hãy xem Phần thảo luận về Các nút kiểm soát (controls) trong Phần 3.2.
Những thất thoát nhỏ
Những thất thoát cột áp nhỏ (xem thêm những thất thoát vị trí) bị gây ra bởi sự hỗn loạn thêm vào mà xảy ra tại các điểm uốn và mối nối. Tầm quan trọng của việc bao gồm những thất thoát như vậy phụ thuộc vào cách bố trí của mạng lưới và độ chính xác đòi hỏi. Chúng có thể được giải thích bằng cách gán cho ống một hệ số thất thoát nhỏ. Sự thất thoát nhỏ trở thành sản phẩm của hệ số này và cột áp tốc độ của ống, có nghĩa là
hL = K2vg2
trong đó K = hệ số thất thoát nhỏ, v = tốc độ dòng chảy (m/s), và g = gia tốc trọng trường. Bảng 3.3 cung cấp các hệ số thất thoát nhỏ cho một số loại mối nối.
Bảng 3.3 Hệ Số Thất Thoát Nhỏ Cho Một Số Loại Mối Nối Lựa Chọn MỐI NỐI HỆ SỐ THẤT THOÁT
Van cầu, mở hết cỡ 10,0
Van góc, mở hết cỡ 5,0
Van đóng đu đưa, mở hết cỡ
2,5
Cút bán kính ngắn 0,9 Cút bán kính trung bình 0,8
Cút bán kính dài 0,6
Cút 45 độ 0,4
Ống cong đóng 2,2
T chuẩn-dòng chảy qua ống
0,6
T chuẩn-dòng chảy qua nhánh
1,8
Lối vào hình vuông 0,5
Lối thoát 1,0
Máy Bơm
Máy bơm là những mắt xích mà truyền năng lượng cho một chất lỏng qua đó nâng cột áp thủy lực lên. Các thông số đầu vào chính cho một máy bơm là các nút đầu và cuối của nó và đường cong máy bơm của nó (kết hợp giữa cột áp và lưu lượng mà máy bơm có thể tạo ra). Thay cho một đường cong máy bơm, máy bơm có thể được coi như là một thiết bị năng lượng không đổi, một thiết bị cung cấp một lượng năng lượng không đổi (mã lực hay kilowat) cho tất cả các kết hợp giữa lưu lượng và cột áp.
Các thông số đầu ra chính là lưu lượng và cột áp tăng thêm. Lưu lượng qua một máy bơm là một chiều và EPANET sẽ không cho phép một máy bơm vận hành bên ngoài phạm vi của đường cong máy bơm của nó.
Các máy bơm có tốc độ thay đổi cũng có thể được xem xét bằng cách định rõ rằng giá trị (setting) tốc độ của chúng thay đổi trong cùng loại điều kiện. Theo định nghĩa, đường cong máy bơm ban đầu được cung cấp cho chương trình có một giá trị (setting) tốc độ tương đối bằng 1. Nếu tốc độ máy bơm gấp đôi, thì giá trị (setting) tương đối sẽ là 2; nếu chạy với nửa tốc độ, thì giá trị
(setting) tương đối bằng 0,5 v.v. Việc thay đổi tốc độ bơm chuyển vị trí và hình dạng của đường cong máy bơm (xem Phần Đường Cong Máy Bơm bên dưới).
Như với các ống, máy bơm có thể được bật và tắt vào những thời gian được định trước hay khi một số điều kiện nhất định tồn tại trong mạng lưới. Sự vận hành của một máy bơm cũng có thể được mô tả bằng cách ấn định cho nó một kiểu thời gian với những giá trị (setting) tốc độ tương đối. EPANET cũng có thể tính toán sự tiêu thụ năng lượng và chi phí máy bơm. Mỗi máy bơm có thể được ấn định một đường cong hệ số và thời gian biểu giá năng lượng. Nếu chúng không được cung cấp thì một tập hợp các lựa chọn năng lượng sẽ được sử dụng.
Lưu lượng qua bơm là một chiều. Nếu các điều kiện hệ thống đòi hỏi nhiều cột áp hơn máy bơm có thể tạo ra, EPANET sẽ đóng máy bơm lại. Nếu nhiều hơn lưu lượng tối đa được đòi hỏi, EPANET ngoại suy đường cong máy bơm tới lưu lượng theo yêu cầu, ngay cả khi điều này tạo ra một cột áp âm. Trong cả hai trường hợp một thông điệp khuyến cáo sẽ được đưa ra.
Van
Van là những mắt xích mà giới hạn áp lực hay lưu lượng tại một thời điểm cụ thể trong mạng lưới. Các thông số đầu vào chính của chúng bao gồm:
• Các nút đầu và cuối
• đường kính
• Giá trị (setting)
• Trạng thái
Các giá trị đầu ra được tính toán cho một van là tốc độ dòng chảy và tổn thất cột áp.
• Van giảm áp (PRV)
• Van giữ áp (PSV)
• Van ngắt áp (pressure breaker) (PBV)
• Van kiểm soát lưu lượng (FCV)
• Van kiểm soát tiết lưu (TCV)
• Van mục đích chung (GPV)
Các PRV giới hạn áp lực tại một điểm trong mạng lưới ống. EPANET tính toán là một PRV có thể ở đâu trong ba trạng thái khác nhau:
• Mở một phần (có nghĩa là tích cực) để đạt được giá trị (setting) áp lực của nó ở phía cuối dòng của nó khi áp lực đầu dòng cao hơn giá trị (setting).
• mở hoàn toàn nếu áp lực đầu dòng thấp hơn giá trị (setting)
• đóng nếu áp lực ở phía cuối dòng vượt quá áp lực ở phía đầu dòng
Các PSV duy trì một áp lực ấn định tại một điểm cụ thể trong mạng lưới ống. EPANET tính toán là một PSV có thể ở đâu trong ba trạng thái khác nhau:
• Mở một phần (có nghĩa là tích cực) để duy trì giá trị (setting) áp lực của nó ở phía đầu dòng của nó khi áp lực cuối dòng thấp hơn giá trị này
• mở hoàn toàn nếu áp lực cuối dòng cao hơn giá trị (setting)
• đóng nếu áp lực ở phía cuối dòng vượt quá áp lực ở phía đầu dòng (có nghĩa là dòng chảy ngược không được phép).
PBV buộc một sự thất thoát áp lực xác định xảy ra qua van. Dòng chảy qua van có thể theo một trong hai hướng. PBV không phải là thiết bị cơ bản thực sự nhưng có thể được sử dụng để lập mô hình các tình huống mà ở đó một sự sút giảm áp lực cụ thể được biết là tồn tại.
Các FCV giới hạn lưu lượng tới một lượng xác định. Chương trình đưa ra một thông điệp cảnh báo nếu lưu lượng này không thể duy trì được mà không phải thêm vào cột áp bổ sung tại van (có nghĩa là lưu lượng không thể duy trì được ngay cả với van mở hoàn toàn).
Các TCV mô phỏng một van đóng một phần bằng cách điều chỉnh hệ số tổn thất cột áp nhỏ của van. Một mối quan hệ giữa mức độ đóng của van và hệ số tổn thất cột áp kéo theo thường sẵn có từ nhà sản xuất van.
GPV được sử dụng để đại diện cho một mắt xích nới người sử dụng cung cấp một lưu lượng đặc biệt-mối quan hệ tổn thất cột áp thay vì theo một trong những công thức thủy lực chuẩn. Chúng có thể được sử dụng để lập mô hình các tuốcbin, các van ngăn dòng chảy ngược.
Các van ngắt (cổng) và van kiểm tra (không chảy ngược), mà mở hay đóng ống hoàn toàn, không được coi là các mắt xích van riêng rẽ mà thay vào đó được bao gồm như một đặc điểm của ống nơi chúng được đặt.
Mỗi loại van có một loại thông số giá trị (setting) khác nhau mà mô tả điểm vận hành của nó (áp lực cho các PRV, PSV, và PBV; lưu lượng cho các FCV; hệ số tổn thất cho các TCV, và đường cong tổn thất cột áp cho các GPV).
Các van có thể có tình trạng kiểm soát bị gối lên nhau khi ta định rõ là chúng hoàn toàn mở hay hoàn toàn đóng. Tình trạng của van và giá trị (setting) của nó có thể được thay đổi trong một sự mô phỏng bằng cách sử dụng các trạng thái kiểm soát.
Do cách lập mô hình van mà các quy tắc sau đây được áp dụng khi thêm vào một mạng lưới:
• một PRV, PSV hay FCV có thể được nối trực tiếp vào một bể chứa hay đài nước (sử dụng một chiều dài ống để tách hai vật ra)
• các PRV không thể chia sẻ cùng một mắt xích cuối dòng hay nối vào một chuỗi
• hai PSV không thể chia sẻ cùng một mắt xích cuối dòng hay nối vào một chuỗi
• một PSV không thể được nối vào nút cuối dòng của một PRV.
3.2 Các Thành Phần không Cơ bản
Ngoài các thành phần cơ bản, EPANET còn áp dụng ba loại đối tượng thông tin-đường cong, mô hình, kiểm soát-mà mô tả hành vi và các khía cạnh vận hành của một hệ thống phân phối.
Đường Cong
Đường cong là các đối tượng có chứa các cặp số liệu chỉ mối quan hệ giữa hai lượng. Hai đối tượng hay hơn có thể chia sẻ cùng một đường cong. Một mô hình EPANET có thể sử dụng các loại đường cong sau:
• Đường Cong Máy Bơm
• Đường Cong Tính Hiệu Quả
• Đường Cong Dung Tích
• Đường Cong Tổn Thất Cột Áp Đường Cong Máy Bơm
Một Đường Cong Máy Bơm đại diện cho mối quan hệ giữa cột áp và tốc độ dòng chảy mà một máy bơm có thể tạo ra tại giá trị (setting) tốc độ danh nghĩa của nó. Cột áp là cột áp tăng thêm cho nước bởi máy bơm và được vẽ trên trục tung (Y) của đường cong tính bằng ft (mét). Tốc độ dòng chảy được vẽ trên trục hoành (X) của đường cong tính bằng đơn vị lưu lượng. Một đường cong máy bơm hợp lý phải có cột áp giảm dần với lưu lượng tăng dần.
EPANET sẽ sử dụng một hình dạng đường cong máy bơm khác tùy thuộc vào số điểm được cung cấp (xem Hình 3.2):
Hình 3.2 Ví Dụ Các Đường Cong Máy Bơm
Đường cong một điểm-Một đường cong máy bơm một điểm được xác định bởi một kết hợp cột áp-lưu lượng riêng rẽ đại diện cho một điểm vận hành mong muốn của máy bơm. EPANET thêm hai điểm nữa vào đường cong bằng cách giả định một cột áp đóng tại lưu lượng zero bằng 133% cột áp thiết kế và một lưu lượng tối đa với cột áp zero bằng hai lần lưu lượng thiết kế. Khi đó nó xử lý đường cong như là đường cong ba điểm.
Đường cong ba điểm. Một đường cong máy bơm ba điểm được xác định bởi ba điểm vận hành: một điểm lưu lượng thấp (lưu lượng và cột áp trong điều kiện lưu lượng thấp hay bằng zero), một điểm lưu lượng thiết kế (lưu lượng và cột áp tại điểm vận hành mong muốn), và một điểm lưu lượng tối (lưu lượng và cột áp với lưu lượng tối đa). EPANET cố gắng khớp vào một hàm liên tục của biểu
hG = A-BqC
qua ba điểm để xác định toàn bộ đường cong máy bơm. Trong hàm này, hg = cột áp tăng thêm, q = tốc độ dòng chảy, và A, B, và C là các hằng số.
Đường cong nhiều điểm-Một đường cong nhiều điểm được xác định bằng cách cung cấp một cặp điểm cột áp-lưu lượng hay bốn hay hơn những điểm như vậy. EPANET tạo ra một đường cong hoàn chỉnh bằng cách tối các điểm lại bằng các đoạn thẳng.
Đối với các tốc độ máy bơm thay đổi, đường cong máy bơm dịch chuyển khi tốc độ thay đổi. Các mối quan hệ giữa lưu lượng (Q) và cột áp (H) ở các tốc độ N1 và N2 là 2 1 2 1 N N Q Q = 2 2 1 2 1 = N N H H
Đường Cong Tính Hiệu Quả
Một Đường cong tính hiệu quả xác định tính hiệu quả của máy bơm (Y tính bằng tỉ lệ phần trăm) như một hàm của tốc độ dòng chảy máy bơm (X tính bằng đơn vị lưu lượng). Một ví dụ đường cong tính hiệu quả được biểu diễn trong Hình 3.3. Tính hiệu quả phải đại diện cho tính hiệu quả dây-tới-nước (wire-to-water) mà có tính đến những thất thoát cơ khí trong bản thân máy bơm cũng như những thất thoát về điện trong môtơ máy bơm. Đường cong chỉ được sử dụng cho những tính toán năng lượng. Nếu không được cung cấp cho một máy bơm cụ thể thì tính hiệu quả máy bơm toàn thể cố định sẽ được sử dụng.
Hình 3.3 Đường Cong Tính Hiệu Quả Máy Bơm Đường Cong Dung Tích
Một Đường cong dung tích xác định dung tích lưu trữ (Y tính bằng ft khối hay mét khối ) thay đổi như một hàm của mức nước (X tính bằng ft hay mét). Nó được sử dụng khi cần phải mô tả chính xác các đài nước mà diện tích mặt cắt thay đổi theo độ cao. Những mức nước trên và dưới được cung cấp cho đường cong phải chứa những mức trên và dưới mà đài nước vận hành trong đó. Một ví dụ về đường cong dung tích đài nước được cho dưới đây.
Đường Cong Tổn Thất Cột Áp
Một Đường Cong Tổn Thất Cột Áp được sử dụng để mô tả tổn thất cột áp (Y tính bằng ft khối hay mét khối) thông qua van mục đích chung (GPV) như một hàm của tốc độ dòng chảy (X tính bằng đơn vị lưu lượng). Nó cung cấp khả năng lập mô hình các thiết bị và các tình huống với những mối quan hệ tổn thất cột áp-lưu lượng duy nhất, chẳng hạn như các van giảm lưu lượng-ngăn ngừa dòng chảy ngược, tuôcbin, và hành vi tốc độ hạ thấp mực nước giếng (well draw-down behaviour).
Các Kiểu Thời Gian
Kiểu thời gian là một tập hợp các số nhân mà có thể được áp dụng cho một lượng để cho phép nó thay đổi theo thời gian. Các nhu cầu nút, cột áp bể chứa, thời gian biểu máy bơm, và các thông số đầu vào của nguồn chất lượng nước có thể có tất cả các kiểu thời gian liên quan tới chúng. Khoảng thời gian được sử dụng trong tất cả các kiểu là một giá trị cố định, được ấn định với các Lựa Chọn Thời Gian của project (Xem Phần 8.1). Trong khoảng cách này một lượng vẫn nằm ở một mức không đôi, bằng với sản phẩm có giá trị danh nghĩa của nó và số nhân của kiểu cho khoảng thời gian đó. Mặc dù tất cả các kiểu thời gian phải sử dụng cùng một kiểu thời gian, mỗi kiểu có thể có một số khoảng thời gian khác nhau. Khi đồng hồ mô phỏng vượt quá số khoảng thời gian trong một kiểu, thì kiểu đó sẽ bao quanh khoảng thời gian đầu tiên của nó một lần nữa.
Như một ví dụ về việc các kiểu thời gian làm việc như thế nào hãy xem xét một nút mối nối với một nhu cầu trung bình bằng 10 gpm. Hãy giả sử rằng khoảng cách của kiểu thời gian đã được ấn định là 4 giờ và một kiểu với những số nhân sau đây đã được định rõ cho nhu cầu tại nút này:
Khoảng thời gian
1 2 3 4 5 6
00,5 0,8 1,0 1,2 0,9 0,7
Khi đó trong khi mô phỏng nhu cầu thực tế tại nút này sẽ như sau:
Khoảng thời gian
0-4 4-8 8-12 12-16 16-20 20-24 24-28
5 8 10 12 9 7 5
Kiểm Soát (Controls)
Kiểm soát những báo cáo mà xác định mạng lưới vận hành như thế nào theo thời gian. Chúng định rõ tình trạng của các mắt xích được chọn như một hàm thời gian, mức nước của đài nước, và áp lực tại những điểm đã chọn trong mạng lưới. Có hai loại kiểm soát có thể được sử dụng:
• Kiểm Soát Đơn Giản (Simple Control)
• Kiểm Soát Dựa Trên Quy Tắc (Rule-Based Control)
Kiểm Soát Đơn Giản (Simple Control)
Kiểm Soát Đơn Giản (Simple Control) làm thay đổi trạng thái hay giá trị (setting) của một mắt xích dựa trên:
• mức nước trong một đài nước
• áp lực tại một mối nối,
• thời gian vào sự mô phỏng,
• thời gian trong ngày.
Chúng là những dòng được diễn tả trong một trong ba định dạng sau:
LINK x status IF NODE y ABOVE / BELOW z
LINK x status AT TIME t
LINK x status AT CLOCKTIME c AM / PM
x = một nhãn hiệu ID mắt xích,
status = MỞ hay ĐÓNG (OPEN or CLOSED), một giá trị (setting) tốc độ máy bơm, hay một giá trị (setting) van kiểm soát,
y = một nhãn hiệu ID nút,
z = một áp lực cho một mối nối hay một mức nước cho một đài nước,
t = một thời gian từ khi bắt đầu mô phỏng tính bằng giờ thập phân hay bằng ký hiệu giờ:phút
c = một thời gian đồng hồ 24 giờ
Một số ví dụ về những kiểm soát đơn giản là:
Dòng kiểm soát Ý nghĩa
LINK 12 CLOSED IF NODE 23 ABOVE 20
LINK 12 CLOSED IF NODE 130 BELOW 30
LINK 12 1.5 AT TIME 16
LINK 12 CLOSED AT CLOCKTIME 10 AM
LINK 12 OPEN AT CLOCKTIME 8 PM
(Đóng Mắt xích 12 khi mức nước trong đài nước 23 vượt quá 20 ft.)
(Đóng Mắt xích 12 nếu áp lực tại nút 130 giảm xuống dưới 30 psi)
(Aán định tốc độ tương đối của bơm 12 tới 1,5 tại 15 giờ vào sự mô phỏng)
(Mắt xích 12 được đóng lặp đi lặp lại vào 10 giờ sáng và mở tại 8 giờ chiều trên toàn bộ sự mô phỏng)
Không có giới hạn về số dòng kiểm soát đơn giản mà có thể được sử dụng.
Lưu ý: Những kiểm soát (controls) được trình bày về độ cao của nước bên trên đáy đài nước, chứ không phải là độ cao (toàn bộ cột áp) của mặt nước.
Chú ý: việc sử dụng một cặp kiểm soát áp lực để mở và đóng một mắt xích có thể làm cho hệ thống trở nên bất ổn nếu các giá trị (setting) áp lực quá gần nhau. Trong trường hợp này việc sử dụng cặp kiểm soát Dựa Trên Quy Tắc (Rule-Based control) có thể giúp ổn định hơn.
Kiểm Soát Dựa Trên Quy Tắc (Rule-Based Control)
Kiểm Soát Dựa Trên Quy Tắc (Rule-Based Control) cho phép nối trạng thái và các giá trị mà sẽ dựa trên một kết hợp giữa các điều kiện mà có thể tồn tại trong mạng lưới sau khi trạng thái thủy lực ban đầu của hệ thống được tính. Sau đây là một số ví dụ về Kiểm Soát Dựa Trên Quy Tắc (Rule-Based Control).
Ví dụ 1:
Bộ quy tắc này đóng máy bơm và mở một ống vòng khi mức nước trong một đài nước vượt quá một giá trị nhất định và ngược lại khi mức nước ở bên dưới một giá trị khác.
QUY TẮC 1:
NẾU MỨC NƯỚC ĐÀI NƯỚC 1 CAO HƠN 19,1
THÌ TÌNH TRẠNG CỦA BƠM 335 LÀ ĐÓNG
VÀ TÌNH TRẠNG CỦA ỐNG 330 MỞ.
QUY TẮC 2:
NẾU MỨC NƯỚC ĐÀI NƯỚC 1 DƯỚI 17,1
VÀ TÌNH TRẠNG CỦA ỐNG 330 LÀ ĐÓNG.
Ví dụ 2:
Các quy tắc này làm thay đổi mức nước đài nước mà tại đó máy bơm bật lên tùy vào thời gian trong ngày.
QUY TẮC 3:
NẾU GIỜ ĐỒNG HỒ CỦA HỆ THỐNG >=8 GIỜ SÁNG
VÀ GIỜ ĐỒNG HỒ CỦA HỆ THỐNG < 6 GIỜ CHIỀU
VÀ MỨC NƯỚC CỦA ĐÀI NƯỚC 1 DƯỚI 12
THÌ TÌNH TRẠNG CỦA BƠM 335 LÀ MỞ
QUY TẮC 4:
NẾU GIỜ ĐỒNG HỒ CỦA HỆ THỐNG >=6 GIỜ SÁNG
VÀ GIỜ ĐỒNG HỒ CỦA HỆ THỐNG < 8 GIỜ CHIỀU
VÀ MỨC NƯỚC CỦA ĐÀI NƯỚC 1 DƯỚI 14
THÌ TÌNH TRẠNG CỦA BƠM 335 LÀ MỞ
Một phần mô tả các định dạng được sử dụng với những kiểm soát (controls) dựa trên quy tắc có thể được tìm thấy trong Phụ lục C, dưới tiêu đề [RULE]
3.3 Mô hình mô phỏng thủy lực
Mô hình mô phỏng thủy lực của EPANET tính toán các cột áp tại mối nối và lưu lượng tại mắt xích cho một tập hợp các mức nước bể chứa, mức nước đài nước, và nhu cầu nước cố định trong một chuỗi các thời điểm liên tiếp. Từ một bước thời gian tới mức nước đài nước tiếp theo và các nhu cầu mối nối được cập nhật theo các kiểu thời gian được quy định của chúng trong khi các mức nước đài nước được cập nhật có sử dụng phép giải lưu lượng hiện tại. Phép giải
cho các cột áp và lưu lượng tại một thời điểm cụ thể liên quan đến việc giải quyết đồng thời phương trình bảo toàn lưu lượng cho nỗi mối nối và mối quan hệ tổn thất cột áp qua mỗi mắt xích trong mạng lưới. Quá trình này, được biết như là “cân bằng thủy lực” mạng lưới, đòi hỏi sử dụng một kỹ thuật lặp để giải các phương trình phi tuyến tính liên quan. EPANET áp dụng “Thuật Toán Đường Dốc” cho mục đích này. Hãy tham khảo chi tiết trong Phụ lục D.
Bước thời gian thủy lực sử dụng cho mô phỏng thời gian kéo dài (extended period simulation) (EPS) có thể được ấn định bởi người sử dụng. Giá trị tiêu biểu là 1 giờ. Các bước thời gian ngắn hơn bình thường sẽ xảy ra tự động mỗi khi một trong những sự kiện sau xảy ra:
• Khoảng thời gian báo cáo tiếp theo xảy ra
• Khoảng thời gian kiểu thời gian xảy ra
• Một đài nước trở nên cạn hay đầy
• Một Kiểm Soát Đơn Giản (Simple Control) hay Kiểm Soát Dựa Trên Quy Tắc (Rule-Based Control) được kích hoạt.
3.4 Mô hình mô phỏng chất lượng nước Vận chuyển cơ bản
Phần mềm mô phỏng chất lượng nước của EPANET sử dụng một phương pháp dựa trên thời gian Lagrangian để theo dõi số phận của các gói nước riêng rẽ khi chúng chuyển động dọc theo ống và hòa trộn với nhau tại các mối nối giữa các bước thời gian có chiều dài cố định. Các bước thời gian chất lượng nước thường ngắn hơn nhiều so với bước thời gian thủy lực (ví dụ, phút thay vì giờ) để chứa những khoảng thời gian di chuyển ngắn xảy ra trong ống.
Phương pháp này theo dõi nồng độ và kích thước của một loạt các phần nước không trùng nhau mà làm đầy mỗi mắt xích của mạng. Khi thời gian trôi qua, kích thước của phần gần thượng nguồn nhất trong một mạng lưới tăng lên khi nước đi nào mạng lưới trong khi một lượng thất thoát cũng bằng như vậy về
