CHƯƠ CHƯƠ NG NG TRÌNH EPANET ĐỂ TÍNH TOÁN MẠ MẠNG LƯỚ LƯỚ I CẤ CẤP NƯỚ NƯỚ C Nguyễ n M ạnh Tuân ườ ng Đại học Thu ỷ l ợ ợi Tr ườ ng Đạ TÓM TẮT EPANET là chươ ng ng trình tính toán m ạng lướ i cấ p n ướ c, c, có khả năng mô phỏng thuỷ lực và chất lượ ng ng nướ c có xét đến yếu tố thờ i gian. Mạng lướ i cấ p nướ c đượ c EPANET mô phỏng bao gồm các đoạn ống, các nút, các máy b ơ m, m, các van, các b ể chứa và đài nướ c. c. EPANET tính đượ c l ưu l ượ ng ng trên mỗi đoạn ống, áp su ất t ại các nút, chi ều cao nướ c ở từng bể chứa, đài n ướ c, c, n ồng độ của các ch ất trên mạng trong su ốt th ờ i gian mô ph ỏng nhiều th ờ i đoạn. ườ ng Chạy trên nền Windows, EPANET t ạo đượ c một môi tr ườ ng hoà hợ p cho việc vào d ữ liệu của mạng, chạy mô hình mô ph ỏng quá trình thu ỷ lực và chất lượ ng ng n ướ c, c, quan sát k ết quả theo nhiều kiểu khác nhau. EPANET đượ c phát tri ển bở i Bộ phận Cấ p n ướ c và nguồn nướ c thuộc Vi ện Nghiên c ứu ườ ng quản lý các r ủi ro quốc gia của C ơ quan Bảo v ệ môi tr ườ ng Hoa K ỳ. Bài báo này gi ớ i thiệu tổng quát v ề EPANET và một số điểm cần lưu ý khi sử dụng chươ ng ng trình này.
I. GIỚ GIỚ I THIỆ THIỆU VỀ VỀ CHƯƠ CHƯƠ NG NG TRÌNH EPANET 1. Vấ Vấn đề tính toán thuỷ thuỷ lự c mạ mạng lướ lướ i cấ cấp nướ nướ c Trong thự thực tế t ế, mạ m ạng lướ i cấ c ấ p nướ n ướ c thườ th ườ ng ng có 2 dạ dạng: mạ mạng phân nhánh và mạ mạng định vòng. Trong công tác thiế thiết k ế mạng lướ l ướ i cấ cấ p nướ nướ c thì việ việc quan tr ọng nhấ nhất là xác định ng kính kinh tế tế nh nhấất và tổ tổn thấ thất áp lự lực tối ưu cho tấ tất cả các đoạn ống trong đượ c đườ ng mạng. Để làm đượ c điều đó thì cầ cần phả ph ải tính toán thuỷ thuỷ lực cho mạ mạng lướ l ướ i.i. Trong việ việc tính toán thuỷ thuỷ lực mạ mạng lướ lướ i cấ cấ p nướ nướ c, c, cầ cần phả phải xác định lưu lượ lượ ng ng chả chảy qua các đoạn định lư ng thờ thờ i cũ cũng phả phải xác định tổn thấ thất thuỷ thuỷ lực trên từ từng đoạn ống. ống, đồ đồng định các tổ Thông thườ thườ ng ng mạng lướ i cấ p nướ c bao gồ gồm r ất nhiề nhiều đoạn ống có chiề chiều dài và ng kính khác nhau và các thiế thi ết bị b ị trên mạ mạng tạ t ạo nên mộ một hệ h ệ thố thống r ất phứ ph ức tạ t ạ p về về đườ ng mặt thuỷ thuỷ lực đặc biệt là loạ lo ại mạng vòng vì số số ẩn quá nhiề nhiều và các phươ phươ ng ng trình tính đặc biệ tổn thấ thất thủ thủy r ất phứ phức tạ tạ p, không giả giải tr ực tiế tiế p đượ c, c, phả phải tính thử thử dần theo các phươ phươ ng ng pháp khác nhau (như (như ph phươ ng pháp củ của Lobachev hay củ của Andriyasev). ươ ng Tr ướ việc tính toán thuỷ thu ỷ lực cho mạ mạng lướ lướ i cấ c ấ p nướ n ướ c thườ thườ ng ng đượ c giả giải bằ bằng ướ c đây việ thủ thủ công nên r ất tốn kém thờ thờ i gian và công sứ sức. Ngày nay nhờ nh ờ có công cụ cụ máy tính nên việ việc giả giải bài toán đượ c thự thực hiệ hiện nhanh chóng nhờ nhờ các các chươ chươ ng ng trình tính toán sẵ sẵn có như như chươ chươ ng ng trình LOOP và gầ gần đây có thêm chươ chươ ng ng trình EPANET. Chươ Chươ ng ng trình EPANET đượ c phát triể triển bở i Bộ ph phậận Cấ p nướ c và nguồ nguồn nướ c thuộ thuộc Vi Việện Nghiên cứu quả quản lý các r ủi ro quố quốc gia củ của Cơ Cơ quan quan Bả Bảo vệ vệ môi tr ườ ng Hoa K ỳ. ườ ng 2. Giớ Giớ i thiệ thiệu chung về về ch chươ ươ ng ng trình EPANET EPANET mô phỏ phỏng quá trình thuỷ thuỷ lực và chấ chất lượ l ượ ng ng nướ n ướ c có xét đến y ếu tố t ố thờ thờ i đến yế gian. Mộ Một mạng lướ i cấ p nướ c đượ c EPANET mô phỏ phỏng bao gồ gồm: các đoạn ống (Pipes), các nút (Junctions), các máy bơ b ơ m, m, các van, các bể b ể chứ chứa và các đài nướ c,... c,... 1
EPANET xem xét lưu lượ ng nướ c trên mỗi đoạn ống, áp suất tại các nút, cao độ mực nướ c ở từng bể chứa và đài nướ c và nồng độ của các chất trên mạng lướ i suốt thờ i gian mô phỏng gồm nhiều thờ i đoạn. Ngoài ra, thờ i gian lưu nướ c và biểu đồ nguồn nướ c cũng đượ c mô phỏng trong chươ ng trình. Chạy trên nền Windows, EPANET tạo đượ c một môi tr ườ ng hoà hợ p cho việc nhậ p dữ liệu của mạng, chạy mô hình thuỷ lực và mô phỏng chất lượ ng nướ c, quan sát k ết quả theo nhiều kiểu khác nhau. Đó là: thể hiện sơ đồ mạng lướ i theo màu và số, các bảng số liệu, các biểu đồ quan hệ theo thờ i gian và các hình vẽ. 3. Khả năng mô phỏng thuỷ lự c của EPANET Mô hình mô phỏng thuỷ lực một các chính xác là điều kiện tiên quyết cho sự mô phỏng chất lượ ng nướ c một cách hiệu quả. EPANET chứa các công cụ phân tích thuỷ lực r ất mạnh, có các khả năng sau: - Có thể phân tích đượ c mạng cấ p nướ c không giớ i hạn về quy mô. - Tính toán tổn thất ma sát thuỷ lực theo cả 3 công thức: Hazen-Williams, hoặc Darcy -Weisbach, hoặc Chezy -Manning. - Tính đượ c cả các tổn thất cục bộ ở các đoạn cong, đoạn ống nối,.... - Mô hình hoá máy bơ m vớ i số vòng quay cố định hoặc thay đổi. - Tính đượ c năng lượ ng bơ m và giá thành bơ m nướ c. - Mô phỏng các loại van khác nhau như van ngắt (Shutoff), van hãm (Check), van điều chỉnh áp suất (Pressure regulating), và van kiểm soát lưu lượ ng (Flow control). - Cho phép mô phỏng bể chứa nướ c có nhiều hình dạng khác nhau (đườ ng kính có thể thay đổi theo chiều cao). - Tính đến sự biến đổi nhu cầu nướ c tại các nút, có thể mỗi nút có một biểu đồ dùng nướ c riêng. - Mô hình hoá lưu lượ ng dòng chảy phụ thuộc áp suất từ các nút theo kiểu vòi phun (Sprinkler heads). - Có thể cho hệ thống làm việc khi mực nướ c trong các bể ứng vớ i các tr ườ ng hợ p: không biến đổi (Simple tank), thay đổi theo thờ i gian (Timer controls), hoặc điều khiển theo quy tắc phức tạ p (Complex rule-based controls). 4. Khả năng mô phỏng chất lượ ng nướ c của EPANET Ngoài việc mô hình hoá thuỷ lực, EPANET cho phép tạo mô hình chất lượ ng nướ c vớ i các khả năng sau: - Mô hình hoá sự chuyển động của vật chất không phản ứng trong mạng. - Mô hình hoá chuyển động và sự biến đổi của các chất có phản ứng trong mạng, như sự gia tăng (ví dụ như chất tẩy) hoặc sự suy giảm (như dư lượ ng Clo) theo thờ i gian. - Mô hình hoá thờ i gian lưu nướ c trong khắ p mạng. - Theo dõi đượ c phần tr ăm lưu lượ ng nướ c từ một nút cho tr ướ c tớ i các nút khác 2
theo thờ i gian. - Mô hình hoá phản ứng cả trong dòng chảy chính (Bulk flow) lẫn trên thành ống (Pipe wall). - Sử dụng động học bậc 'n' để mô hình hoá phản ứng của dòng chảy chính. - Sử dụng động học bậc '0' hoặc bậc nhất để mô phỏng phản ứng của thành ống. - K ể đến sự cản tr ở sự vận chuyển nướ c khi mô hình hoá thành ống. - Cho phép các phản ứng gia tăng hoặc suy giảm đến một nồng độ giớ i hạn. - Sử dụng các hệ số mức phản ứng chung, tuy nhiên cũng có thể thay đổi riêng cho từng đoạn ống. - Cho phép hệ số phản ứng của thành ống liên hệ đượ c vớ i độ nhám của ống. - Cho phép một hàm lượ ng hoặc một khối lượ ng vật chất biến đổi theo thờ i gian đưa vào một vị trí bất k ỳ trong mạng. - Mô hình hoá các bể chứa như là bể phản ứng vớ i các kiểu tr ộn khác nhau. Vớ i các đặc điểm như vậy, EPANET có thể xem xét đượ c các vấn đề về chất lượ ng nướ c như: - Sự pha tr ộn nướ c từ các nguồn khác nhau; - Thờ i gian lưu nướ c trong hệ thống; - Sự tăng các sản phẩm tẩy trùng; - Sự lan truyền các chất gây ô nhiễm. II. SO SÁNH EPANET VỚ I CHƯƠ NG TRÌNH LOOP Có thể nói EPANET hơ n hẳn chươ ng trình LOOP vì có các điểm ưu việt sau: - Mô phỏng đượ c hầu hết các thành phần cơ bản của một hệ thống cấ p nướ c: các đoạn ống, nút, máy bơ m, van, bể chứa và đài nướ c. Trong khi đó LOOP chỉ mô phỏng đượ c các đoạn ống và các nút. - Mỗi phần tử trong hệ thống đượ c mô phỏng vớ i r ất nhiều thuộc tính (ví dụ, mô phỏng ống vớ i các thuộc tính: chiều dài l, đườ ng kính d, độ nhám, hệ số phản ứng của dòng chảy Rb, hệ số phản ứng của thành ống Rw; mô phỏng máy bơ m vớ i các thuộc tính: đườ ng đặc tính H~Q, đườ ng đặc tính η~Q, số vòng quay n, biểu đồ thay đổi số vòng quay n~t, biểu đồ giá năng lượ ng bơ m g~t; mô phỏng đài nướ c vớ i các thuộc tính: độ cao đáy Z min, độ sâu nhỏ nhất H min, độ sâu lớ n nhất Hmax, đườ ng kính D, dung tích nhỏ nhất Vmin, đườ ng quan hệ V~H, kiểu tr ộn, hệ số phản ứng R;...). Vì vậy EPANET cho phép can thiệ p sâu vào công việc thiết k ế mạng lướ i, khi chạy xong chươ ng trình, có thể thu đượ c các thông số thiết k ế cơ bản của các thành phần trong hệ thống cấ p nướ c. - Mô phỏng đượ c cả chất lượ ng nướ c trong hệ thống. - Mô phỏng quá trình thuỷ lực và chất lượ ng nướ c theo thờ i gian. - Chạy trên nền Windows, giao diện ngườ i và máy r ất thân thiện, dễ sử dụng. Giao diện chủ yếu là đồ hoạ, r ất thuận tiện và nhanh chóng cho việc lậ p sơ đồ 3
mạng lướ i, nhậ p dữ liệu để tạo các thuộc tính của các đối tượ ng. - Các đối tượ ng (các đoạn ống, các nút,...) đượ c đánh số một cách tự động hoặc cũng có thể đánh số lại theo chủ ý của ngườ i sử dụng. - K ết quả đượ c hiển thị một cách tr ực quan dướ i nhiều dạng (file số liệu, đồ thị, bảng, hình vẽ, đồ thị...) và đượ c sắ p xế p r ất hệ thống. - Khi cần điểu chỉnh thuộc tính của các phần tử trong mạng để đượ c một phươ ng án thiết k ế hợ p lý thì việc thay đổi đượ c thực hiện r ất nhanh chóng và tr ực quan. III. TRÌNH TỰ CÁC BƯỚ C SỬ DỤNG EPANET Việc áp dụng chươ ng trình EPANET để mô phỏng một hệ thống cấ p nướ c đượ c thực hiện theo các bướ c cơ bản dướ i đây: 1) Vẽ sơ đồ biểu diễn mạng cấ p nướ c (Adding Objects). 2) Biên tậ p các thuộc tính của các đối tượ ng của mạng (Editing Objects). 3) Mô tả hệ thống làm việc như thế nào: các đườ ng quan hệ (Curves), các biểu đồ theo thờ i gian (Time Patterns), các lệnh điều khiển (Controls). 4) Chọn các chứa năng phân tích (Setting Analysis Options) để đặt các thuộc tính cho các đối tượ ng về các mặt: thuỷ lực, chất lượ ng, phản ứng, thờ i gian, năng lượ ng,... 5) Chạy chươ ng trình để phân tích thuỷ lực hoặc chất lượ ng nướ c (Running an Analysis). 6) Xem k ết quả (Viewing Results). IV. MỘT SỐ CHÚ Ý KHI SỬ DỤNG CHƯƠ NG TRÌNH EPANET Ngoài những điều đã đượ c hướ ng dẫn trong phần mềm, chúng tôi xin nêu ra một số điểm cần chú ý đượ c rút ra qua việc sử dụng chươ ng trình như sau: 1. Về hệ đơ n vị EPANET sử dụng hai hệ đơ n vị: Hệ Anh Mỹ (US Customary units) và hệ mét tiêu chuẩn (SI Metric units). Vì vậy tr ướ c khi biểu diễn mạng cấ p nướ c cần đưa các kích thướ c và đơ n vị về mét tiêu chuẩn. 2. Đối vớ i ống (Pipe) a) Chọn hệ số nhám (Roughness Coefficients) trong EPANET Tùy theo công thức tính tổn thất dọc đườ ng đượ c sử dụng, hệ số nhám đối vớ i ống mớ i đượ c lấy theo bảng dướ i đây: Vật liệu làm ống Gang Bê tông Sắt tráng k ẽm
Hazen-Williams C (không thứ nguyên) 130 - 140 120 -140 120
Darcy-Weisbach e (millifeet) 0,85 1,0 - 10 0,5
Manning's n (không thứ nguyên) 0,012 - 0,015 0,012 - 0,017 0,015 - 0,017
4
Chất dẻo Thép Gốm tráng men
140 - 150 140 - 150 110
0,005 0,15
0,011 - 0,015 0,015 - 0,017 0, 013 - 0,015
Ghi chú: 1 foot = 0, 3048 m; 1 inch = 25,4 mm Để nhanh chóng thông chươ ng trình thì ban đầu nên sơ bộ giả thiết đườ ng kính d của các ống thiên về giá tr ị lớ n r ồi điều chỉnh thu nhỏ dần. b) Tổn thất cục bộ (Minor Loss Coefficients) Hệ số tổn thất cục bộ ξ đượ c tra từ các bảng thuỷ lực, cũng có thể lấy theo đề nghị của EPANET như dướ i đây: Van cầu, mở hoàn toàn: 10,0 Van nghiêng, mở hoàn toàn: 5,0 Van cánh gạt, mở hoàn toàn: 2,5 Van tấm, mở hoàn toàn: 0,2 Uốn cong, bán kính nhỏ: 0,9 Uốn cong, bán kính trung bình: 0,8 Uốn cong, bán kính trung lớ n: 0,6 Uốn cong cong 450: 0,4 Chỗ r ẽ (đầu thẳng bịt): 2,2 Tê tiêu chuẩn, dòng chảy trên nhánh thẳng: 0,6 Tê tiêu chuẩn, dòng chảy trên nhánh r ẽ: 1,8 Chỗ vào, cạnh vuông: 0,5 Chỗ ra: 1,0 3. Đối vớ i nút (Junction) Cao độ điểm tính toán tại các nút (Elevation) chỉ ảnh hưở ng đến giá tr ị áp suất tại điểm đó mà không ảnh hưở ng bài toán thuỷ lực. Tuy nhiên nếu tại nút nào đó có cao độ quá cao thì có thể áp suất sẽ cho k ết quả âm và cần phải xác định lại cao độ này phù hợ p cho riêng nút đó và cân đối cho toàn mạng. Tránh tr ườ ng hợ p vì cố đạt đượ c cao độ tại một nút cục bộ nào đó mà phải tăng áp suất cho toàn mạng thì sẽ không kinh tế. 4. Đối vớ i đài (Tank) - Cao trình đáy (Elevation) nên chọn cao hơ n so vớ i các nút. - Chọn thể tích đài (D, H) thiên lớ n để chươ ng trình sớ m chạy thông r ồi sau đó hiệu chỉnh giảm dần. - Nếu nướ c không lên đài phải tăng bơ m (tuỳ theo lỗi mà tăng Q hay tăng H). - Nếu nướ c vào đài sau đó không ra nữa hoặc chỉ ra đượ c một phần thì giảm bớ t lưu lượ ng máy bơ m Q bơ m. - Đài có liên quan đến chất lượ ng nướ c, kiểu tr ộn. 5
- Khi đài không phải hình tr ụ thì cần đưa vào đườ ng đặc tính về quan hệ V~H. - Đài lăng tr ụ có thể quy về hình tr ụ tươ ng đươ ng (cùng diện tích đáy) để tiện cho tính toán. 5. Đối vớ i bơ m (Pump) - Việc xây dựng các đồ thị đườ ng đặc tính bơ m (Pump Curves) có thể cần 1, 3 hay nhiều điểm, càng nhiều điểm thì đườ ng đặc tính càng chính xác. - Đườ ng đặc tính hiệu suất nên lấy nhiều điểm. - Khi thay đổi số vòng quay ở biểu đồ số vòng quay (Time Pattern), khống chế không vượ t quá 20% so vớ i vòng quay chuẩn để an toàn cho máy bơ m. - Nếu cần tạo ra chế độ bơ m theo số máy chạy trong các giờ khác nhau, khi có máy nào đó nghỉ thì lấy nhân tử (Multiplier) ở biểu đồ số vòng quay (Time Pattern) của bơ m đó bằng '0', lúc đó coi như bơ m không chạy. - Chọn lưu lượ ng thiết k ế của bơ m: nên chọn Q bơ m xấ p xỉ bằng tổng các lưu lượ ng yêu cầu (Demmand) tại các nút. Nếu Q bơ m nhỏ hơ n giá tr ị này thì chươ ng trình sẽ báo lỗi vớ i áp suất âm tại các nút. - Đầu tiên để chươ ng trình sớ m chạy thông có thể chọn Q bơ m thiên lớ n, sau hiệu chỉnh giảm dần. - Phối hợ p chọn lưu lượ ng và cột nướ c bơ m vớ i lựa chọn dung tích đài (nếu trong mạng có đài). Khi Q bơ m tăng thì thì W đài sẽ nhỏ). - Cho phép đơ n giá năng lượ ng có thể thay đổi theo giờ trong ngày. Khi đó đưa vào biều đồ giá theo tỷ lệ giá so vớ i giá chuẩn (Price Pattern). 6. Chứ c năng xem k ết quả (Report) EPANET có nhiều chức năng xem k ết quả r ất thuận tiện. Ngoài việc xem k ết quả qua file dữ liệu và hình vẽ trên màn hình, còn có một số chức năng đặc biệt để xem k ết quả vớ i thao tác bấm các nút: - Nút Query: Xem k ết qua theo điều kiện nào đó (Sort). - Nút Graph: Xem k ết quả bằng đồ thị. - Nút Table: Xem k ết quả bằng bảng; có thể lượ c bớ t một số cột hoặc có thể chỉ cần xem những hàng có giá tr ị theo điều kiện (Sort). - Nút Report /Energy: Xem điện năng tiêu thụ và tiền điện. 7. Cách nhập sơ đồ mạng lướ i cấp nướ c từ bản vẽ CAD Việc vẽ một sơ đồ mạng lướ i cấ p nướ c tr ực tiế p trên màn hình máy tính thườ ng tốn công sức và sẽ r ất kém chính xác, nhất là khi sơ đồ phức tạ p có nhiều đoạn ống. EPANET còn cung cấ p một tiện ích r ất mạnh đó là khả năng nhậ p sơ đồ hệ thống từ file ảnh. Sau đây sẽ trình bày cách vẽ sơ đồ mạng lướ i cho EPANET từ bản vẽ CAD theo trình tự sau: Bướ c 1. Tạo file ảnh - Có bản vẽ sơ đồ mạng lướ i dướ i dạng CAD. 6
- Bật chươ ng trình chuyển đổi hình vẽ CAD sang Picture (có thể dùng BWM hoặc một chươ ng trình khác). - Bật chươ ng trình xử lý ảnh (Paint, Microsoft Photo Editor, Photoshop...). - Copy bản vẽ CAD vào clipboard. - Dán sang Paint. - Lưu (Save) dướ i dạng file bitmap (*.bmp). Bướ c 2. Nhậ p file ảnh làm nền để vẽ sơ đồ mạng lướ i cho EPANET - Vào chức năng View /Backdrop/Load. - Hiện ra cửa sổ Open a Backdrop Map. - Chỉ đườ ng dẫn tớ i thư mục chứa file ảnh cần tìm và mở file (Open). - Nền ảnh sẽ hiện ra - Vẽ theo hình dướ i nền để tạo sơ đồ mạng lướ i bằng EPANET. Chú ý r ằng, sau khi vẽ xong nếu không cần để nền (nhìn quá r ối) thì có thể tạm thờ i tắt đi bằng cách ấn chuột phải và click vào biểu tượ ng Backdrop /Ôn-Ôff. V. K ẾT LUẬN Chươ ng trình EPANET đượ c sử dụng để mô phỏng mạng lướ i cấ p nướ c. Chươ ng trình có nhiều tính năng mạnh, đẩy đủ và thuận tiện. Chươ ng trình đượ c cung cấ p miễn phí và có thể tải về đượ c trên mạng Internet. Ngoài chươ ng trình chính ra, còn có tài liệu hướ ng dẫn kèm theo r ất thuận lợ i cho ngườ i sử dụng. Trên đây là một số vấn đề đượ c rút ra trong quá trình ban đầu khai thác, sử dụng chươ ng trình EPANET. Không đi sâu vào các thao tác, các l ệnh cụ thể và chi tiết của chươ ng trình, bài báo này chỉ giớ i thiệu một số nét chủ yếu vớ i mục đích quảng bá chươ ng trình và trao đổi một số kinh nghiệm khi sử dụng chươ ng trình. Các vấn cụ thể và chi tiết liên quan đến việc khai thác, sử dụng chươ ng trình nên đượ c tham khảo tỉ mỉ trong tài liệu hướ ng dẫn chi tiết kèm theo. SUMMARY EPANET performs extended period simulation of hydraulic and water quality behavior within pressurized pipe networks. A network consists of pipes, nodes, pumps, valves and storage tanks or reservoirs. EPANET tracks the flow of water in each pipe, the pressure at each node, the height of water in each tank, and the concentration of a chemical species throughout the network during a simulation period comprised of multiple time steps. Running under Windows, EPANET provides an integrated environment for editing network input data, running hydraulic and water quality simulations, and viewing the results in a variety of formats. EPANET was developed by the Water Supply and Water Resources Division of the Ự .S. Environmental Protection Agency's National Risk Management Research Laboratory.
7
