Bài giảng Mạng lưới cấp thoát nước: Chương 8 - PGS.TS. Nguyễn Thống

M NG LƯ I C P THOÁT NƯƠÙC

TRƯ NG ð I H C BÁCH KHOA TP. HCM

N I DUNG MÔN H C

Khoa KTXD - B môn KTTNN

PGS. TS. NGUY N TH NG
E-mail: nthong56@gmail.com or nthong56@yahoo.fr

Chương 1. Ch t lư ng, ht. phân ph i nư c & thi t b .
Chương 2. Qu n lý cung - c u trong c p nư c.
Chương 3. Mô hình hoá & thi t k ht. c p nư c.
Chương 4: Phân tích m ng lư i c p nư c.
Chương 5: Nư c va trong ñư ng ng ch y có áp.
Chương 6. Quy ho ch h th ng thóat nư c.
Chương 7. Mô hình hoá & thi t k ht. thoát nư c.
Chương 8. Thoát nư c vùng tri u.
Chương 9. Qu n lý v n hành ht. c p và thoát nư c.
Ph n m m SWMM & EPANET

Web: //www4.hcmut.edu.vn/~nguyenthong
10/14/2010

Tél. (08) 38 640 979 - 098 99 66 719

1

10/14/2010

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

Chöông 1: Chaát löôïng, heä thoáng phaân phoái & thieát bò

N I DUNG
Th c hành 1: Mô hình d

báo nhu c u
nư c dùng v i p/p H i quy tuy n tính
Th c hành 2: Mô ph ng m ng lư i c p
nư c v i EPANET.
Th c hành 3: Mô ph ng m ng lư i thoát
nư c v i SWMM.
Th c hành 4: Mô ph ng th y l c v i HECRAS
10/14/2010

3

PGS. Dr. Nguy n Th ng

2

Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

GIÔÙI THIEÄU
• Khi thieát keá heä thoáng thoaùt nöôùc trong
nhöõng vuøng gaàn bieån soâng suoái nhaän nöôùc
thoaùt coù theå bò aûnh höôûng cuûa thuûy trieàu.
Trong tröôøng hôïp naøy, vaán ñeà ñaùnh giaù khaû
naêng thaùo nöôùc cuûa heä thoáng coáng thoaùt seõ
phuï thuoäc vaøo möïc nöôùc thay ñoåi theo thôøi
gian taïi caùc vò trí soâng raïch tieáp nhaän nöôùc
thoaùt.
10/14/2010

4

PGS. Dr. Nguy n Th ng

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

GIÔÙI THIEÄU
Lyù thuyeát doøng chaûy khoâng oån
ñònh trong tính toaùn thuûy löïc.
Phương trình d ng sóng
khuy ch tán.
Phương trình Saint Venant.
10/14/2010

PGS. Dr. Nguy n Th ng

5

PHƯƠNG TRÌNH
ð NG L C

10/14/2010

6

PGS. Dr. Nguy n Th ng

1

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

Phöông trình doøng chaûy hôû 1D trong loøng daãn
thay ñoåi daàn ñöôïc trình baøy moät caùch toång
quaùt bôûi phöông trình sau:
∂Q ∂  Q 2 
∂h
+ 
 + gA + gA( S f − S0 ) = 0
∂t ∂x  A 
∂x
Moâ hình soùng ñoäng hoïc
Moâ hình soùng khuyeách taùn
10/14/2010

Moâ hình doøng khoâng oån ñònh
7

PGS. Dr. Nguy n Th ng

Phöông trình treân coøn coù theå vieát döôùi daïng:

∂Q ∂  Q 2
+ 
∂t ∂x  A



 ∂Z

 + gA
+ Sf =0

∂x




h:
chieàu saâu nöôùc taïi maët caét x
Z=h+a: cao ñoä möïc nöôùc taïi maët caét x
a:
cao ñoä ñaùy maët caét
A : dieän tích öùôt
Q : löu löôïng qua dieän tích A
Sf: ñoä doác thuûy löïc
10/14/2010
S0: Dr. doác n Th (-dE/dl; E naêng löôïng, dl chieàu daøi)
PGS. ñoä Nguy ñaùy ng

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

8

Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

Phöông trình lieân tuïc:

∂Q ∂A
+
=q
∂x ∂t

PHƯƠNG TRÌNH
LIÊN T C

hay

∂Q
∂Z
+b
=q
∂x
∂t

q : löu löôïng ñôn vò boå sung doïc tuyeán
b : chieàu roäng maët thoaùng
Z : cao trình möïc nöôùc

10/14/2010
10/14/2010
PGS. Dr. Nguy n Th ng

9

10

PGS. Dr. Nguy n Th ng

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

• Trong tröôøng hôïp doøng chaûy bieán ñoåi chaäm
cho caùc vuøng chòu aûnh höôûng trieàu nhö Tp.
Hoà Chí Minh vaø caùc vuøng laân caän, moâ hình
toaùn daïng soùng khuyeách taùn coù theå öùng
duïng.
• Ngoaøi ra, vôùi daïng moâ hình naøy, phöông
trình toaùn vaø phöông phaùp giaûi seõ töông ñoái
ñôn giaûn. Heä phöông trình ñoäng löïc vaø lieân
tuïc cho moâ hình naøy nhö sau :

MÔ HÌNH SÓNG
KHUY CH TÁN

10/14/2010
10/14/2010
PGS. Dr. Nguy n Th ng

11

12

PGS. Dr. Nguy n Th ng

2

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

∂Z
+ Sf = 0
∂x

PHƯÔNG TRÌNH STRICKLER

∂Q
∂Z
+b
=q
∂x
∂t

vaø

Ngoaøi ra, ñeå giaûi ñöôïc heä phöông trình
treân chuùng ta coøn phaûi boå sung quy luaät
toån thaát naêng löôïng doøng chaûy.
Moät trong nhöõng quy luaät söû duïng phoå
bieán nhaát theo Strickler coù daïng sau :
10/14/2010

13

PGS. Dr. Nguy n Th ng

Sf =

D = k str h 5 / 3b k str = a 6
1/

QQ
D2

d

kstr : heä soá Strickler
d : ñöôøng kính haït caùt taïo loøng soâng (m)
a =(21-24), heä soá phuï thuoäc vaøo d

10/14/2010

14

PGS. Dr. Nguy n Th ng

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

PHƯÔNG PHAÙP GIAI (sơ ñô n)
Sô ñoà maïng löôùi sai phaân
• Maïng löôùi söû duïng daïng so le. Vò trí xaùc ñònh
cao trình möïc nöôùc (Z) taïo thaønh moät löôùi,
vò trí ôû ñoù löu löôïng (Q), ñaëc tröng maët caét
(b,ω) ñöôïc tính taïo thaønh moät maïng löôùi
ω
rieâng, seõ boá trí so le vôùi löôùi tính Z.
Zi

Zj
Qi

10/14/2010

PGS. Dr. Nguy n Th ng

SÔ ðOÀ SAI PHAÂN PREISSMANN

∂f 1  f i t++1 − f i t+1 f i t +1 − f i t 

=  1
+

∂t 2 
∆t
∆t



f t +1 − f i t +1
f t − f it
∂f
= θ i +1
+ (1 − θ ) i +1
∂x
∆x
∆x
f ( x, t ) =

Zk
Qj

θ

(f
2

t +1
i +1

vôùi
Qk

15

)

+ f i t +1 +

1−θ t
f i +1 + f i t
2

(

0.5 ≤ θ ≤ 1

10/14/2010

PGS. Dr. Nguy n Th ng

)
16

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

PHöÔNG TRÌNH SAI PHAÂN SOÙNG KHUYEÁCH TAÙN

ÑIEÀU KIEÄN TAïI NUÙT MAïNG LƯÔÙI, ðIEÀU KIEÄN BIEÂN
Ñieàu kieän lieân tuïc taïi nuùt maïng löôùi : Taïi vò trí hoäi tuï cuûa
caùc nhaùnh (>2 nhaùnh), phöông trình lieân tuïc coù daïng
sau ñaây seõ ñöôïc thay theá cho phöông trình ñoäng löïc :

t
t
t
t
−∆t.θ .αm+1Zkt +1 +  ∆xi .σ i + ∆t.θ .αn+1 + ∆t.θ .αm+1  Zit +1 − ∆t.θ .αn+1Z tj+1 =


t
t
∆xi .σ i .Z it − ∆t * (1 − θ ) * α n ( Z it − Z tj ) − α m ( Z kt − Z it )  + qi .∆t.∆xi



hay
vôùi

t +1
k

t +1
i

N

∑Q

t +1
j

F (Z , Z , Z ) = 0
αn =

Dn
 ∆xn Z i − Z j 



10/14/2010

PGS. Dr. Nguy n Th ng

0.5

Dn =

i =1

i

=0
Nuùt hoäi tuï maïng löôùi

σ i = θ * bit +1 + (1 − θ ) * bit
(21 ÷ 24) 5 / 3
hn bn
d 1/ 6

Toång caùc nhaùnh hoäi tuï

θ ∑ α ( p )t +1 ( Z kt +1 − Z it +1 ) = − (1 − θ ) ∑ α ( p )t ( Z kt − Z it )
17

10/14/2010

18

PGS. Dr. Nguy n Th ng

3

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

ðI U KI N ð C BI T
Trong tröôøng hôïp doøng chaûy ñi qua caùc
daïng coâng trình : coáng laøm vieäc theo 1
hoaëc 2 chieàu, ñaäp traøn, ñaäp ngaên …
phöông trình ñoäng löïc Saint Venant
seõ ñöôïc thay theá bôûi phöông trình bieåu
dieãn quy luaät thuûy löïc thích hôïp töông
öùng.
10/14/2010

19

PGS. Dr. Nguy n Th ng

ðI U KI N BIÊN
Moâ hình ñöôïc thieát laäp cho pheùp
moâ taû caùc ñieàu kieän bieân :
Loaïi möïc nöôùc (Z)
Loaïi löu löôïng (Q) deå daøng.
10/14/2010

20

PGS. Dr. Nguy n Th ng

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

Phöông trình lieân tuïc :

DÒNG KHÔNG N ð NH V I
PHƯƠNG TRÌNH ð Y ð
SAINT VENANT

Phöông trình ñoäng löïc:

B

∂Z ∂Q
+
=q
∂t ∂x

QQ
∂Q ∂  2Q ∂Q Q 2 ∂A 
∂Z
+  .
− 2 .  + gA
+g 2
=0
∂t ∂x  A ∂x A ∂x 
∂x
C AR

C = R1/ 6 / n
10/14/2010
10/14/2010
PGS. Dr. Nguy n Th ng

21

22

PGS. Dr. Nguy n Th ng

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

MAÏNG LÖÔÙI KHOÂNG GIAN 1D
(Qbien)
Vò trí xaùc ñònh
aån soá baøi toaùn

Phöông trình lieân tuïc daïng sai phaân:
(Hbien)

(Qi,Zi)
dxi

∆x  t
dBti+1
dBti
t
t
t 
 Bi +1 + Bi +ψ B ( dZ ∆Z i +1 + dZ ∆Z i ) 
4 


a 2 = θ Q ∆t

Chuù yù coù söï khaùc nhau veà sô ñoà sai phaân khoâng gian
so vôùi t/h tröôùc.
10/14/2010

Vôùi:

a1 =
(Hbien)

PGS. Dr. Nguy n Th ng

+1
+1
a1∆Z ti +1 − a2 ∆Q it +1 + a1∆Z it +1 + a2 ∆Q it +1 = a3

23

a3 = −∆t(Q it +1 − Q it ) + ∆x.∆t ψ q q t +1 + (1 −ψ q )q t 


10/14/2010

24

PGS. Dr. Nguy n Th ng

4

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

Phöông trình ñoäng löïc daïng sai phaân:

b1∆Z
Vôùi:

t +1
i

+ b 2 ∆Q

t +1
i

+ b 3 ∆Z

t +1
i +1

+ b 4 ∆Q

t +1
i +1

= b5

b4 =

b 5 = −2∆t.U(Qit+1 − Qit ) + ∆t.U 2 B( Zit+1 − Zit )

b1 = ∆t.U B.θ Z − gA.∆t.θ Z
2

− g∆t.A ( Zit+1 − Zit ) − g∆t.∆xD (Q it+1 − Q it )

∆x
b2 =
− 2∆t.U.θ Q + g.∆t.∆x.Dψ Q
2

D=

b3 = −∆t.U 2 B.θ Z + gA.∆t.θ Z
10/14/2010

∆x
+ 2 ∆t.U.θ Q + g.∆t.∆x.Dψ Q
2

25

n 2  0.5( χ it+1 + χ it )4 / 3 



10/14/2010

PGS. Dr. Nguy n Th ng

4  0.5(A ti +1 + A ti )7 / 3 



. Q ti +1 + Q ti
26

PGS. Dr. Nguy n Th ng

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC

Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

BAØI TAÄP
Thieát laäp sô ñoà khoái ñeå
giaûi baøi toaùn 1D (soùng
khuyeách taùn & Saint
Venant).

Ñieàu kieän taïi nuùt hoäi tuï nhieàu nhaùnh
(N>2) cuûa maïng löôùi
Cao trình möïc nöôùc taïi caùc maët caét hoäi tuï veà
nuùt laø baèng nhau.
t +1
t +1

∆Z k = ∆Z p

Toång löu löôïng nöôùc hoäi tuï veà nuùt :
N

∑ ∆Q
k =1

t +1
k

=0

Chuù yù: Taïi nuùt hoäi tuï N nhaùnh seõ thieát laäp ñöôïc N
10/14/2010
27
phöông trình.

10/14/2010

PGS. Dr. Nguy n Th ng

28

PGS. Dr. Nguy n Th ng

MAÏNG LÖÔÙI CAÁP THOAÙT NÖÔÙC
Chương 8 : Dòng không n ñ nh 1D.

10/14/2010

29

PGS. Dr. Nguy n Th ng

5