Giáo trình Mạng lưới cấp thoát nước - Chương 7: Mô hình hóa và thiết kế hệ thống thoát nước - Nguyễn Thống

Quy hoạch hệ thống thóat nước. Chương 7. Mô hình hoá & thiết kế ht. thoát nước. Chương 8. Thoát nước vùng triều. Chương 9. Quản lý vận hành ht. cấp và thoát nước. Phần mềm SWMM & EPANET MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯƠÙC 10/14/2010 3 NỘI DUNG Thực hành 1: Mô hình dự báo nhu cầu nước dùng với p/p Hồi quy tuyến tính Thực hành 2: Mô phỏng mạng lưới cấp nước với EPANET. Thực hành 3: Mô phỏng mạng lưới thoát nước với SWMM. Thực hành 4: Mô phỏng thủy lực với HEC- RAS MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 1: Chaát löôïng, heä thoáng phaân phoái & thieát bò PGS. Dr. Nguyễn Thống 10/14/2010 4 NOÄI DUNG - Thủy văn. - Tính thủy lực hệ thô (ng thoa (t nươ(c. MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc PGS. Dr. Nguyễn Thống 10/14/2010 5 THỦY VĂN PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 6 MƯA THIẾT KẾ
Mưa là một hiện tượng ngẫu nhiên
Biến ñổi theo không gian và thời gian
Khi thiết kế một hệ thống thoát nước cần phải xác ñịnh một mô hình mưa dùng làm ñầu vào cho các phần tính toán. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 210/14/2010 7 Mưa thiết kế có thể là cường ñộ mưa bình quân hay là quá trình mưa trong suốt thời gian mưa. Mưa thiết kế ñược xác ñịnh dựa trên phân tích số liệu ño mưa trong nhiều năm ở các trạm khí tượng trong khu vực. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 8 CƯỜNG ðỘ MƯA I Với: Td – Thời gian mưa, P – Lớp nước mưa hay ñộ sâu mưa. Cường ñộ mưa phụ thuộc vào:
Vị trí khu vực
Chu kỳ xuất hiện lại cơn mưa p
Thời gian mưa Td. PGS. Dr. Nguyễn Thống )has/(l( 36.0 Iqor)h/mm( T PI d −== MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 9 Ơ; mỗi khu vực, quan hệ giữa I, Td, p gọi là IDF (Intensity- Duration-Frequency);
IDF ñược diễn tả dưới dạng biểu ñồ hay công thức. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 10 Dạng tổng quát cươDng ñộ mưa I: Td – Thời gian kéo dài cơn mưa (phút) a, b, c – Phụ thuộc vị trí khu vực và tần suất p (thông thường c = 1) PGS. Dr. Nguyễn Thống       + = ha s/l orh/mm bT aI c d MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 11 Khu vực tha Dnh phô ( HCM (nghiên cứu của JICA): 137,51041050 137,3930220 137,2846410 137,076275 136,765202 cbaChu kỳ p (năm) PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 12 QUÁ TRÌNH MƯA
ðể ñánh giá ñược diển biến ngập trong khu vực
cần phải ñược tính toán từ quá trình mưa theo thời gian.
Mô hình quá trình mưa ñược xây dựng từ tài liệu cơn mưa thực tế hay từ quan hệ IDF nêu trên. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 310/14/2010 13 QUÁ TRÌNH MƯA PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc ta tb 10/14/2010 14
Mô hình ñường cong gần với quá trình mưa thực tế nhưng ñòi hỏi phải có các dự ñoán tin cậy.
Mô hình chử nhật xem mưa phân bố ñều trong suốt thời gian mưa, cường ñộ mưa bằng cường ñộ mưa bình quân tính.
Mô hình tam giác có thời gian trước ñỉnh là ta, thông thường: ta = (0,3 ÷ 0,5)Td PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 15 CHU KỲ TÍNH TOÁN Chu kỳ lặp lại cơn mưa p ảnh hưởng ñến cường ñộ mưa và do ñó quyết ñịnh kích thước, khối lượng hệ thống thoát nước. Chọn chu kỳ p theo 3 cách: (1) Kinh nghiệm (2) Phân tích rủi ro (3) Phân tích kinh tế nước. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 16
Trong phân tích kinh tế nước, ứng với chu kỳ p sẽ xác ñịnh ñược mức ñầu tư cho công trình ñồng thời cũng ñánh giá ñược những thiệt hại do những cơn mưa có chu kỳ lớn hơn gây ra.
Rõ ràng khi chọn p lớn thì mức ñầu tư tăng cao nhưng thiệt hại sẽ giảm ñi và ngược lại;
Qua phân tích kinh tế sẽ chọn ñược p tối ưu. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 17
Dự án “Thoát nước lưu vực Nhiêu Lộc – Thị Nghè”
Công ty CDM từ phân tích số liệu ñiều tra về kinh tế và ñiều tra về mức ñộ thiệt hại do mưa gây úng ngập ở TP HCM giai ñoạn 1994 – 1995 ñã ñề nghị chu kỳ p = 2 năm cho hệ thống cống ngầm (cấp II, III, IV), p = 5 năm cho kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè (cấp I). PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 18
Chọn chu kỳ mưa tính toán p phụ thuộc vào hiện trạng kinh tế xã hội khu vực và hướng phát triển của nó.
Không thể lấy p của thành phố phát triển cao như Tokyo, San Francisco, dùng cho thành phố có mức sống còn thấp như Hà Nội, TP HCM, vì như vậy sẽ ñầu tư cho hệ thống thoát nước quá cao không tương xứng với những thiệt hại mà nó tránh ñược.
Trong phạm vi Việt Nam cũng có sự khác biệt p giữa TP HCM và các thành phố nhỏ khác. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 410/14/2010 19 Nhưng trong những dự án thoát nước nhỏ, không có ñiều kiện phân tích kinh tế xã hội tổng thể, chu kỳ mưa tính toán p thường ñược chọn theo kinh nghiệm (phương pháp chuyên gia). PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 20 + Theo Tiêu Chuẩn Việt Nam (TCVN 4449: 1987): KHU DÂN CƯ PGS. Dr. Nguyễn Thống 10-20ðK ñặc biệt không thuận lợi 5-10ðK không thuận lợi ðK ñặc biệt không thuận lợi 2-3ðK trung bìnhðK không thuận lợi 1-2ðK thuận lợiðK thuận lợi và trung bình p (năm)Khu ñường chínhKhu ñường nhánh MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc (xem ñịnh nghĩa sau) 10/14/2010 21 • ðiu kin (ðK) thun li: Diện tích lưu vực Flv = 150ha và ñộ dốc ñịa hình iñh = 0,005 • ðK trung bình: Flv > 150ha và iñh = 0,005 hoặc Flv = 150ha và iñh = 0,005
0,02 • ðK không thun li: Flv > 150ha và iñh > 0,005 hoặc Flv = 150ha và iñh > 0,02 • ðK ñ c bit không thun li: Cống thoát nước mưa từ vùng trũng của lưu vực ñi ra. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 22 KHU CÔNG NGHIỆP PGS. Dr. Nguyễn Thống 3-5Gián ñoạn sản xuất 2Không gián ñoạn sản xuất p (năm)Hậu quả do ngập úng MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 23 HIỆP HỘI KỸ SƯ CÔNG CHÍNH MỸ (ASCE) PGS. Dr. Nguyễn Thống 10Khu thương mại, công nghiệp, nhà ga, phi trường, bến cảng 5Khu dân cư, cơ quan 2ðất nông nghiệp, nghĩa trang p (năm)Khu vực MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 24 THỜI GIAN TẬP TRUNG NƯỚC PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 510/14/2010 25 Thời gian tập trung nước của một lưu vực
thời gian dài nhất cần thiết ñể giọt nước mưa rơi ở vị trí “bất lợi” nhất di chuyển ñến vị trí thoát nước của khu vực. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 26 Trong môi trường ñô thị, các lưu vực nhỏ, các tiểu lưu vực có một diện tích bề mặt tương ñối bé (ví dụ, nó hình thành trên cơ sở 1 vài khuôn viên xây dựng và các công trình nhà trên ñó và một ñoạn ñường phố) và nơi thoát chính là một miệng cống. Ta gọi thời gian ñi vào, te , chính là thời gian tập trung cho một tiểu lưu vực ñược ñịnh nghĩa như trên. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 27 PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc Chế ñộ thủy lực chảy tràn mặt 2D Chế ñộ thủy lực chảy k/áp trong cống 10/14/2010 28 Với một lưu vực là ñô thị lớn:
Thời gian tập trung nước : T = Te + Tf Tf
thời gian nước chảy trong ống cống, tính từ tiểu lưu vực này cho ñến vị trí thoát nước chung cho khu vực. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 29 CÁC MÔ HÌNH ðÁNH GIÁ THỜI GIAN TẬP TRUNG NƯỚC Te PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 30 Thời gian te phụ thuộc:
ñộ dốc trung bình bề mặt khu vực theo hướng miệng thu nước
khoảng cách nước phải di chuyển, chảy tràn trên mặt, ñể ñến miệng cống thu nước
tình trạng tự nhiên của bề mặt ñịa hình nước chảy qua. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 610/14/2010 31 Một cách tổng quát, nó dao ñộng từ 5 phút ñến 30 phút tùy theo quy mô của tiểu lưu vực và cách bố trí các vị trí thu nước. Trong vùng dân cư rất ñông ñúc, ở ñó tỷ lệ diện tích bề mặt không thấm lớn ta có thời gian ñi vào te sẽ ngắn. Trong khi ñó, với các vùng dân cư, ở ñó nhà ở dạng các hộ cá thể và thế ñất tương ñối bằng phẳng, thời gian vào te dao ñộng trong khoảng 5 phút ñến 10 phút. ðể ñánh giá thời gian vào, người ta ñề nghị nhiều mô hình như: mô hình của Kerby, mô hình của Kirpich, mô hình của Schaake, mô hình của Cơ quan Hàng không Liên bang M. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 32 Mô hình Kerby. Mô hình này cho phép ñánh giá thời gian cần thiết cho một lớp nước mỏng chảy trên một bề mặt có các tính chất thay ñổi. • L: khoảng cách lớn nhất nước phải di chuyển trên mặt (m). Với mô hình chỉ áp dụng cho L<365 m; khi L vượt quá giới hạn này, trong thực tế nước sẽ chảy nhanh hơn so với giá trị tính bởi mô hình. • n: hệ số nhám bề mặt tính theo Manning (x. sau) • s: ñộ dốc trung bình của ñịa hình.PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc )phut( s nL187.2 t 467.0 5.0e       = 10/14/2010 33 PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 0.8Rừng phủ lá và cỏ cao 0.8Rừng thông 0.6Rừng phủ lá 0.4Bãi chăn nuôi 0.2Phủ cỏ nhưng không bảo trì tốt, trồng trọt 0.1ðất nện chặt và nằm ngang 0.1Phủ cỏ và nằm ngang 0.02Không thấm, nằm ngang nBề mặt 10/14/2010 34 Ví dụ: Tính thời gian tập trung nước cho khu vực có không thấm nằm ngang (n=0.02). Khoảng cách xa nhất ñến hố thu nước L=100m. Khu vực có ñộ dốc bình quân s=2/1000. ðáp số: 8.5 phút PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 35 Mô hình Kirpich. Tác giả ñề nghị phương trình sau ñây, thường áp dụng cho vùng nông thôn: L: khoảng cách lớn nhất nước phải di chuyển trên mặt (m). Với mô hình chỉ áp dụng cho khoảng 30 m<L<3050 m. s:ñộ dốc trung bình của ñịa hình nước phải chảy qua. F:yếu tố phụ thuộc vào loại bề mặt ñất; cho phép áp dụng phương trình trong các vùng không phải là nông thôn (x. sau)PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc )phut( s FL0195.0 t 385.0 77.0 e = 10/14/2010 36 PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 0.2Chảy trong kênh bằng bé tông 0.4Lát bé tông hoặc nhựa ñường 2Cỏ 1ðất san bằng sạch và bề mặt là phẳng (lưu vực nông thôn) FBề mặt 710/14/2010 37 Ví dụ: Dòng chảy khu nông thôn có mặt phủ cỏ. Khu vực có ñộ dốc 5/1000 và khoảng cách nước chảy ñến hố thu là 400m. Tính tc theo Kirpich. ðáp số: 30.2 phút PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 38 Mô hình Schaake. Tác giả ñề nghị phương trình sau ñây cho các tiểu lưu vực ñô thị trong ñó có ñường phố và các miệng thu nước ñặt dọc theo các lề ñường hay các ñường bao quanh: PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc )phut( As L8.1 t 26.0 imp 16.0 24.0 e = 10/14/2010 39 L: khoảng cách lớn nhất nước phải di chuyển trên mặt (m) dọc theo các ñường biên (vỉa hè) cho ñến miệng thu nước. s: ñộ dốc trung bình của ñịa hình nước phải chảy qua; Aimp:tỷ lệ diện tích tổng cộng của tiểu lưu vực không thấm (mái che, ñường tráng nhựa, lề ñường...) PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 40 Ví dụ: Tính thời gian tập trung nước cho khu vực có tỷ lệ diện tích không thấm là 0.5. Khoảng cách xa nhất ñến hố thu nước L=100m. Khu vực có ñộ dốc bình quân s=2/1000. ðáp số: 17.6 phút PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 41 Mô hình của Cơ quan Hàng không Liên bang M. Mô hình sau ñây ñược ñề nghị ñể tính thoát nước cho vùng phi trường với te tính bằng phút: PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc ( ) )phut( s LC1.126.3 t 33.0 5.0 e − = 10/14/2010 42 L: khoảng cách lớn nhất nước phải di chuyển trên mặt (m); C: hệ số dòng chảy; s: ñộ dốc trung bình của ñịa hình nước phải chảy qua. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 810/14/2010 43 Ví dụ: Tính thời gian tập trung nước cho khu vực thương mại ngoại ô (C=0.6). Khoảng cách xa nhất ñến hố thu nước L=100m. Khu vực có ñộ dốc bình quân s=2/1000. ðáp số: 50.7 phút PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 44 TÍNH THỦY LỰC Phương pha (p cươDng ñộ giơ(i hạn. Phương pha (p thi (ch hợp (Câ (p thoa (t nươ(c-ðH).  Phương pha (p thủy lực dòng không ổn ñịnh tổng quát (SWMM). PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 45 P/P THÍCH HỢP Rational Methode (p/p Tỷ lệ) PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 46 MỘT SỐ LƯU Ý - AÙp duïng tính thoaùt nöôùc khu vöïc vöøa vaø beù (<3-5 km2). Söû duïng nhieàu cho khu ñoâ thò. - Thôøi gian keùo daøi côn möa trong coâng thöùc tính cöôøng ñoä möa I laáy baèng thôøi gian taäp trung nöôùc ñeán ñieåm xeùt  löu löôïng thoaùt Qmax - Thieát keá trong tröôøng hôïp “baát lôïi” nhaát  moãi ñoaïn oáng (D khoâng ñoåi) tính kích thöôùc vôùi Qmax. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 47 MỘT SỐ LƯU Ý - Phöông phaùp thuûy löïc
Doøng chaûy OÅN ÑÒNH & ÑEÀU
Khoâng theå duøng trong tröôøng hôïp ñieåm thoaùt nöôùc khu vöïc bò aûnh höôûng “trieàu”. - KHOÂNG THEÅ AÙP DUïNG tính cho tröôøng hôïp ñaët coáng coù ñoä doác i <=0. - Giaûi baèng phöông phaùp laäp baûng. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 48 VÍ DỤ P/P THÍCH HỢP PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 910/14/2010 49 PGS. Dr. Nguyễn Thống A2=5ha C2=0.5 A1=5ha C1=0.3 A3=5ha C3=0.4 A4=4ha C4=0.4 12 345 MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 50 Laäp baûng tính (tham khaûo taøi lieäu trang 174): .....1-2 (5)(4)(3)(2)(1)(0) I (mm/h, l/s/ha) T (ph) ΣCiAi (ha, m2)i L (m)OÁng PGS. Dr. Nguyễn Thống ....... (11)(10)(9)(8bis)(8)(7)(6) TfVωh/DDchonF(h/D)Q MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 51 TÍNH THOÁT NƯỚC VỚI SWMM PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 52 SWMM Runoff Module I f(t) S W S R f(t) Q (t) 10/14/2010 53 SWMM Extran Module 10/14/2010 54 PHẠM VI ỨNG DỤNG Có thể mô phỏng với các chế ñộ thủy lực:
Dòng chảy ổn ñịnh (Steady flow)
Sóng ñộng học (Kinematic Wave)
Sóng ñộng lực (Dynamic wave). PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10 10/14/2010 55 PHẠM VI ỨNG DỤNG
Mưa trong các khu vực có thể KHÁC NHAU.
Nhiều dạng ñường dẫn khác nhau.
Mô phỏng diễn biến thoát nước theo thời gian. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 56 PHẠM VI ỨNG DỤNG
Mô phỏng sự làm việc HỒ ðIỀU HÒA trong hệ thống
Có thể chảy có áp, bán áp, chảy không áp.
Các mô hình thấm nước vào ñất khác nhau. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 57 Ví dụ PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 58 TÓM TẮT LÝ THUYẾT SWMM PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 59 THẤM & CHẢY TRÀN MẶT (Infiltration and Runoff) PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 60 Mưa rơi xuống một khu vực sẽ chia thành:
Một phần sẽ thấm vào lòng ñất (Infiltration)
Phần còn lại tạo dòng chảy tràn mặt (Runoff) PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 11 10/14/2010 61 SWMM sử dụng 2 mô hình:
Mô hình Horton (1940)
Mô hình Green and Ampt (1911) PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 62 Horton’s Equation The infiltration capacity into the soil considered as a function of time: fp (m/s) infiltration capacity into soil f0 (m/s) maxi or initial value of fp α Decay coefficient (1/s) [0.00056
0.00139] PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc ( ) t0p effff α−∞∞ −+= 10/14/2010 63 Giải thích: PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc t f0 finfinity Mô hình mưa ñiển hình xuống khu vực (giá trị i) Diện tích chỉ dòng chảy mặt tạo ra ðồ thị chỉ trường hợp mưa “gián ñoạn” Giới hạn nước thấm vào ñất 10/14/2010 64 Trong thực tế: i(t) cường ñộ mưa (m/s)
Phương trình thấm tích lũy cuả Horton.
F(tp) giá trị thấm tích lũy tại thời ñiểm tp (m) PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc [ ])t(i),t(fmin)t(f p= )e1(fftfdt)t(f)t(F p p t0 p t 0 p α−∞ ∞ − α − +== ∫ 10/14/2010 65 Giá trị tham khảo finfinity của Musgrave (1955) PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 0.05==> 0Á sét, sét 0.15==> 0.05Thịt 0.3==> 0.15Á cát 0.45==> 0.3ðất cát finfinity (in/h)Loại ñất 10/14/2010 66 Giá trị tham khảo f0: PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc Chia giá trị của A hay B cho (1.5==>3)(C) ðất ẩm 2Sét 6Á sét 10Cát (B) ðất khô+thảm thực vật dày 1Sét 3Á sét 5Cát(A) ðất khô f0 (in/h)Loại ñất 12 10/14/2010 67 Green Ampt’s Equation Hiện tượng thấm ñược mô phỏng bởi 2 giai ñoạn: Nếu F < Fs
f = i và Không tính Fs trường hợp i <=Ks PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc s s s Kifor 1 K i IMD*SF > − = Chiều cao mao dẫn ðộ ẩm thiếu hụt ban ñầu 10/14/2010 68 Nếu F > Fs
f
infiltration rate (m/s) fp
infiltration capacity (m/s) i
rainfall intensity (m/s) F
cumulative infiltration volume (m) Fs
cumulative infiltration volume to cause surface saturation (m) PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc       +== F IMD*S1Kff sp 10/14/2010 69 S
mao dẫn TB của tầng ñịa chất (4 inches
12 inches) IMD
ñộ ẩm thiếu hụt ban ñầu (m/m) [0.34 (cát)
0.21 (sét)] Ks
hệ số thấm khi ñất bão hòa (m/s) PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 70 THỦY LỰC PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 71 Sử dụng lý thuyết dòng chảy KHÔNG ỔN ðỊNH, BIẾN ðỔI dần trong kênh hở (Saint Venant or Shallow Water Equation) PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 72 PHƯƠNG TRÌNH LIÊN TỤC
A diện tích m/c ướt
Q lưu lượng
x khoảng cách dọc ñường dẫn
t thời gian PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 0 x Q t A = ∂ ∂ + ∂ ∂ 13 10/14/2010 73 PHƯƠNG TRÌNH ðỘNG LỰC
g gia tốc trọng trường
H=z+h cột nước do áp tổng
z Cao ñộ ñáy hố ga
h chiều sâu nước
Sf ñộ dốc ma sát (ñộ dốc ñường năng lượng) PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 0gAS x HgA x )A/Q( t Q f 2 =+ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ 10/14/2010 74 PHƯƠNG TRÌNH ðỘNG LỰC Sử dụng tính các tính chất & p/t liên tục: Phương trình ñộng lực trở thành: PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc ( ) x AV x VAV2 x AV&AV A Q 2222 ∂ ∂ + ∂ ∂ = ∂ ∂ = 0 x HgA x AV t AV2gAS t Q 2 f =∂ ∂ + ∂ ∂ − ∂ ∂ −+ ∂ ∂ 10/14/2010 75 ðộ dốc ma sát Sf ñược xác ñịnh bởi p/t Manning: n hệ số nhám R bán kính thủy lực PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc VQ AR nS 3/4 2 f = 10/14/2010 76 PHƯƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 77 DẠNG SAI PHÂN CỦA PHƯƠNG TRÌNH ðỘNG LỰC PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc ( ) ( )[ ] ( )[ ]       ∆− −∆−+∆∆+ ∆ + =∆+ tL/HHAg tL/AAVt/AV2Q . VR tgn1 1Q 12 12 2 tt 3/4 2tt [1] 10/14/2010 78 Các ẩn số trong p/t là: Bổ sung phương trình liên tục tại nút: SA
diện tích mặt thoáng của nút PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 12tt H&H;Q ∆+ sttt s A/tQHH A/Q t H ∑ ∑ ∆+= ⇒= ∂ ∂ ∆+ [2] 14 10/14/2010 79 Mỗi ∆t giải bằng 2 giai ñoạn: (t+∆t/2) & (t+∆t): Tại nút j lúc (t+∆t/2) : PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc ( ) ( ) [ ] [ ] )t(A/)2/tt(Q)2/tt(Q)t(Q 2/1 2/t)t(H)2/tt(H s jj       ∆++∆++ ∆+=∆+ ∑ ∑ ðường ống, mưa tràn mặt Bơm, ñiểm thoát, rẽ nhánh, chuyển dòng 10/14/2010 80 Tại nút j lúc (t+∆t) : PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc ( ) ( ) [ ] [ ] )t(A/)tt(Q)tt(Q)t(Q 2/1 t)t(H)tt(H s jj       ∆++∆++ ∆+=∆+ ∑ ∑ 10/14/2010 81 TÓM TẮT TRÌNH TỰ TÍNH At (t+∆t/2) tính: 1. Lưu lượng trong tất cả các ống dựa vào kết quả cuả bước trước 2. Lưu lượng chuyển bởi tràn, miệng thu, bơm,dựa vào kết quả cuả bước trước 3. Cột nước H tại tất cả các nút dựa vào kết quả của bước [1] & [2].
PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 82 TÓM TẮT TRÌNH TỰ TÍNH At (t+∆t) tính: 4. Lưu lượng trong tất cả các ống dựa vào kết quả cuả (t+∆t/2) 5. Lưu lượng chuyển bởi tràn, miệng thu, bơm,dựa vào kết quả cuả bước (t+∆t/2) . 6. Cột nước H tại tất cả các nút dựa vào kết quả của bước [4] & [5]. PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 83 VÍ DỤ Examples:
E\VIDU_SWM\VD.INP
E\VIDU_SWM\vd_No_HoDieuHoa.INP
E\VIDU_SWM\vd_With_HoDieuHoa.INP PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 84 TÍNH THỦY LỰC DÒNG CHẢY KHÔNG ÁP, ỔN ðỊNH & ðỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRA BẢNG PGS. Dr. Nguyễn Thống MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 6: Quy hoaïch maïng löôùi thoaùt nöôùc 15 10/14/2010 85 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phương trình Manning: V vận tô(c TB, C hệ sô( Chézy, R bán ki (nh thủy lực, n hệ sô( nha (m, i ñộ dô(c ña (y (chảy ñều), ω diện tích ươ(t, Q lưu lượng. PGS. Dr. Nguyễn Thống RiCV = 6/1R n 1C = χ ω =R VQ ω= MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 86 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Từ ñó: PGS. Dr. Nguyễn Thống )D/h(f i nQ 3/2 3/5 == χ ω h D MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc Chu vi ướt 10/14/2010 87 Trong thực hành, khi tính toán chảy ñều thực hiện: Dùng bảng tra va D chọn D hợp ly(  tính h/D. Dạng bảng tra xem sau. PGS. Dr. Nguyễn Thống i nQ)D/h(f = MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC Chöông 7: Thuûy löïc maïng löôùi thoaùt nöôùc 10/14/2010 88 CẤP THOÁT NƯỚC Chương 6: Mạng lưới thoát nước khu vực. PGS. Dr. Nguyễn Thống 0.4600.17860.2590.08290.86 0.4640.18000.2610.08360.87 0.4680.18120.2640.08410.88 0.4730.18230.2660.08460.89 0.4760.18320.2680.08510.90 0.4800.18400.2700.08540.91 0.4840.18450.2720.08570.92 0.4870.18480.2740.08580.93 0.4900.18490.2760.08590.94 ω(h/D)F(h/D)ω(h/D)F(h/D)h/D 0.8D(m)=0.6D(m)= 10/14/2010 89 CẤP THOÁT NƯỚC Chương 6: Mạng lưới thoát nước khu vực. PGS. Dr. Nguyễn Thống 0.4100.15920.2310.07390.76 0.4150.16150.2340.07500.77 0.4210.16370.2370.07600.78 0.4260.16590.2400.07700.79 0.4310.16800.2420.07800.80 0.4360.17000.2450.07900.81 0.4410.17200.2480.07990.82 0.4460.17380.2510.08070.83 0.4510.17550.2540.08150.84 0.4550.17710.2560.08230.85 ω(h/D)F(h/D)ω(h/D)F(h/D)h/D 0.8D(m)=0.6D(m)= 10/14/2010 90 CẤP THOÁT NƯỚC Chương 6: Mạng lưới thoát nước khu vực. PGS. Dr. Nguyễn Thống 0.3520.13290.1980.06170.66 0.3580.13570.2010.06300.67 0.3640.13850.2050.06430.68 0.3700.14120.2080.06560.69 0.3760.14390.2110.06680.70 0.3820.14660.2150.06810.71 0.3870.14920.2180.06930.72 0.3930.15180.2210.07050.73 0.3990.15430.2240.07160.74 0.4040.15680.2270.07280.75 ω(h/D)F(h/D)ω(h/D)F(h/D)h/D 0.8D(m)=0.6D(m)= 16 10/14/2010 91 CẤP THOÁT NƯỚC Chương 6: Mạng lưới thoát nước khu vực. PGS. Dr. Nguyễn Thống 0.2900.10370.1630.04810.56 0.2960.10660.1660.04950.57 0.3020.10960.1700.05090.58 0.3090.11250.1740.05230.59 0.3150.11550.1770.05360.60 0.3210.11840.1810.05500.61 0.3270.12140.1840.05640.62 0.3340.12430.1880.05770.63 0.3400.12720.1910.05900.64 0.3460.13000.1950.06040.65 ω(h/D)F(h/D)ω(h/D)F(h/D)h/D 0.8D(m)=0.6D(m)= 10/14/2010 92 CẤP THOÁT NƯỚC Chương 6: Mạng lưới thoát nước khu vực. PGS. Dr. Nguyễn Thống 0.2260.07440.1270.03460.46 0.2320.07730.1310.03590.47 0.2390.08020.1340.03720.48 0.2450.08300.1380.03860.49 0.2510.08600.1410.03990.50 0.2580.08890.1450.04130.51 0.2640.09180.1490.04260.52 0.2710.09480.1520.04400.53 0.2770.09770.1560.04540.54 0.2830.10070.1590.04680.55 ω(h/D)F(h/D)ω(h/D)F(h/D)h/D 0.8D(m)=0.6D(m)= 10/14/2010 93 CẤP THOÁT NƯỚC Chương 6: Mạng lưới thoát nước khu vực. PGS. Dr. Nguyễn Thống 0.1690.05020.0950.02330.37 0.1750.05270.0990.02450.38 0.1810.05530.1020.02570.39 0.1880.05790.1060.02690.40 0.1940.06060.1090.02810.41 0.2000.06330.1130.02940.42 0.2070.06600.1160.03070.43 0.2130.06880.1200.03190.44 0.2190.07160.1230.03320.45 ω(h/D)F(h/D)ω(h/D)F(h/D)h/D 0.8D(m)=0.6D(m)= 10/14/2010 94 CẤP THOÁT NƯỚC Chương 6: Mạng lưới thoát nước khu vực. PGS. Dr. Nguyễn Thống 0.1270.03370.0710.01560.30 0.1330.03590.0750.01670.31 0.1390.03810.0780.01770.32 0.1450.04040.0810.01880.33 0.1510.04280.0850.01990.34 0.1570.04520.0880.02100.35 0.1630.04770.0920.02210.36 ω(h/D)F(h/D)ω(h/D)F(h/D)h/D 0.8D(m)=0.6D(m)= 10/14/2010 95 CẤP THOÁT NƯỚC Chương 6: Mạng lưới thoát nước khu vực. PGS. Dr. Nguyễn Thống 1.0350.5270.7190.32390.86 1.0450.5310.7250.32640.87 1.0540.5340.7320.32860.88 1.0630.5370.7380.33050.89 1.0720.5400.7450.33220.90 1.0810.5420.7500.33350.91 1.0890.5440.7560.33450.92 1.0960.5450.7610.33510.93 1.1030.5450.7660.33530.94 ω(h/D)F(h/D)ω(h/D)F(h/D)h/D 1.2D(m)=1.0D(m)= 10/14/2010 96 CẤP THOÁT NƯỚC Chương 6: Mạng lưới thoát nước khu vực. PGS. Dr. Nguyễn Thống 0.9220.4690.6400.28860.76 0.9340.4760.6490.29280.77 0.9460.4830.6570.29690.78 0.9580.4890.6660.30080.79 0.9700.4950.6740.30470.80 0.9810.5010.6810.30830.81 0.9930.5070.6890.31180.82 1.0030.5120.6970.31510.83 1.0140.5180.7040.31830.84 1.0250.5220.7120.32120.85 ω(h/D)F(h/D)ω(h/D)F(h/D)h/D 1.2D(m)=1.0D(m)= 17 10/14/2010 97 CẤP THOÁT NƯỚC Chương 6: Mạng lưới thoát nước khu vực. PGS. Dr. Nguyễn Thống 0.7920.3920.5500.24090.66 0.8050.4000.5590.24600.67 0.8190.4080.5690.25110.68 0.8320.4160.5780.25600.69 0.8460.4240.5870.26100.70 0.8590.4320.5960.26580.71 0.8720.4400.6050.27050.72 0.8850.4480.6140.27520.73 0.8970.4550.6230.27980.74 0.9100.4620.6320.28420.75 ω(h/D)F(h/D)ω(h/D)F(h/D)h/D 1.2D(m)=1.0D(m)= 10/14/2010 98 CẤP THOÁT NƯỚC Chương 6: Mạng lưới thoát nước khu vực. PGS. Dr. Nguyễn Thống 0.6520.3060.4530.18790.56 0.6660.3140.4620.19330.57 0.6800.3230.4720.19870.58 0.6940.3320.4820.20410.59 0.7090.3410.4920.20940.60 0.7230.3490.5020.21470.61 0.7370.3580.5120.22000.62 0.7510.3660.5210.22530.63 0.7640.3750.5310.23060.64 0.7780.3830.5400.23580.65 ω(h/D)F(h/D)ω(h/D)F(h/D)h/D 1.2D(m)=1.0D(m)= 10/14/2010 99 CẤP THOÁT NƯỚC Chương 6: Mạng lưới thoát nước khu vực. PGS. Dr. Nguyễn Thống 0.5080.2190.3530.13490.46 0.5220.2280.3630.14010.47 0.5370.2360.3730.14530.48 0.5510.2450.3830.15060.49 0.5650.2530.3930.15580.50 0.5800.