Các hệ thống phân phối nước

374 CH¦¥NG 9 C¸c hÖ Thèng ph©n phèi n­íc 9.1. CÊu tróc vµ môc ®Ých cña C¸c hÖ thèng ph©n phèi n­íc Tæ hîp xö lÝ vµ ph©n phèi n­íc ®­îc thùc hiÖn ®Ó x©y dùng, vËn hµnh, vµ duy tr× c¸c hÖ thèng cung cÊp n­íc. Chøc n¨ng c¬ b¶n cña c¸c tæ hîp nµy lµ thu n­íc tõ mét nguån n­íc, xö lÝ n­íc ®Ó cã mét chÊt l­îng cã thÓ chÊp nhËn ®­îc, vµ ph©n phèi l­îng n­íc mong muèn tíi c¸c ®Þa ®iÓm thÝch hîp t¹i thêi ®iÓm yªu cÇu. Ph©n tÝch mét tæ hîp th­êng lµ ®Ó ®¸nh gi¸ mét hoÆc nhiÒu chøc n¨ng thµnh phÇn cña nã: sù ph¸t triÓn nguån n­íc; sù vËn chuyÓn n­íc ch­a qua xö lÝ; sù tÝch tr÷ n­íc ch­a qua xö lÝ, xö lÝ, tÝch tr÷ n­íc ®· xö lÝ; vµ sù ph©n phèi n­íc ®· xö lÝ còng nh­ c¸c thµnh phÇn con kh¸c. Do c¸c t¸c ®éng qua l¹i cña chóng, tÝch tr÷ n­íc ®· qua xö lÝ th­êng ®­îc ®¸nh gi¸ chung víi sù ph©n phèi n­íc ®· qua xö lÝ vµ sù tÝch tr÷ n­íc ch­a xö lÝ th­êng ®­îc ®¸nh gi¸ chung víi nguån n­íc. H×nh 9.1.1 minh häa c¸c chøc n¨ng thµnh phÇn cña mét tæ hîp nãi trªn. Môc ®Ých cña mét m¹ng l­íi ph©n phèi n­íc lµ cung cÊp tíi c¸c ng­êi sö dông cña hÖ thèng l­îng n­íc yªu cÇu vµ cung cÊp l­îng n­íc nµy víi mét ¸p suÊt thÝch hîp d­íi nhiÒu ®iÒu kiÖn søc t¶i kh¸c nhau. §iÒu kiÖn søc t¶i ®­îc ®Þnh nghÜa nh­ lµ mét kiÓu c¸c nhu cÇu nót. Mét hÖ thèng cã thÓ tïy thuéc vµo mét sè ®iÒu kiÖn søc t¶i kh¸c nhau: c¸c nhu cÇu t¹i c¸c nót kh¸c nhau; c¸c nhu cÇu cao ®iÓm hµng ngµy; mét chuçi c¸c kiÓu biÕn ®æi trong mét ngµy; hoÆc mét søc t¶i tíi h¹n khi mét hoÆc nhiÒu ®­êng èng bÞ vì. §Ó b¶o ®¶m mét thiÕt kÕ lµ thÝch hîp, mét sè c¸c ®iÒu kiÖn søc t¶i bao gåm c¶ c¸c ®iÒu kiÖn tíi h¹n cÇn ®­îc xem xÐt. Kh¶ n¨ng vËn hµnh víi c¸c kiÓu søc t¶i kh¸c nhau yªu cÇu cã mét m¹ng l­íi ®¸ng tin cËy. 375 C¸c hÖ thèng ph©n phèi n­íc bao gåm ba thµnh phÇn chÝnh: c¸c tr¹m b¬m; kho ph©n phèi; vµ hÖ thèng èng dÉn n­íc ph©n phèi. C¸c thµnh phÇn nµy cã thÓ ®­îc chia nhá h¬n n÷a thµnh c¸c thµnh phÇn con. C¸c thµnh phÇn con nµy l¹i cã thÓ ®­îc chia thµnh c¸c thµnh phÇn con nhá h¬n n÷a. VÝ dô, thµnh phÇn tr¹m b¬m bao gåm c¸c thµnh phÇn con thuéc: cÊu tróc, ®iÖn, hÖ thèng èng dÉn, ®¬n vÞ b¬m. §¬n vÞ b¬m cã thÓ ®­îc chia nhá h¬n thµnh c¸c thµnh phÇn con nhá h¬n: b¬m, bé phËn ®iÒu kiÓn, kiÓm so¸t, sù truyÒn ®iÖn, hÖ thèng èng dÉn vµ c¸c van. §Þnh nghÜa chÝnh x¸c cña c¸c thµnh phÇn, c¸c thµnh phÇn con, vµ c¸c thµnh phÇn con nhá h¬n phô thuéc vµo møc ®é chi tiÕt yªu cÇu cña ph©n tÝch vµ phô thuéc tíi mét møc ®é nhÊt ®Þnh cña møc ®é chi tiÕt cña sè liÖu s½n cã. Trong thùc tÕ, kh¸i niÖm thµnh phÇn – thµnh phÇn con – thµnh phÇn con nhá h¬n chØ ®­îc ®Þnh nghÜa ®¬n thuÇn lµ mét hÖ thèng cÊp bËc cña c¸c khèi lµm s½n ®· ®­îc sö dông ®Ó x©y dùng hÖ thèng ph©n phèi n­íc. Môc tiªu cña ch­¬ng nµy lµ giíi thiÖu c¸c ph­¬ng ph¸p to¸n cÇn thiÕt ®Ó hiÓu ®­îc c¸c m« h×nh m« pháng vµ c¸c m« h×nh tèi ­u thiÕt kÕ vµ ph©n tÝch c¸c m¹ng l­íi ph©n phèi n­íc. Thªm vµo ®ã, ph­¬ng ph¸p ph©n tÝch ®é tin cËy còng ®­îc tr×nh bµy. 9.2. C¸c thµnh phÇn cña hÖ thèng ph©n phèi n­íc C¸c thµnh phÇn kh¸c nhau cña c¸c thÖ thèng ph©n phèi n­íc vµ c¸c môc ®Ých cña chóng ®­îc m« t¶ trong môc nµy. C¸c yÕu tè chÝnh cña hÖ thèng lµ bé phËn èng dÉn hoÆc c¸c kÕt nèi cã ®­êng kÝnh kh«ng ®æi vµ cã thÓ bao gåm c¸c khíp nèi vÝ dô nh­ c¸c ®o¹n cong vµ c¸c van. C¸c èng dÉn ®­îc s¶n xuÊt b»ng c¸c chÊt liÖu kh¸c nhau, vÝ dô nh­, b»ng gang, thÐp, bª t«ng, gç Ðp. §Æc tr­ng cho c¸c hÖ thèng cÊp n­íc lµ mèi quan hÖ gi÷a l­u l­îng hoÆc vËn tèc víi èng dÉn, ph­¬ng tr×nh Hazen-Williams: 0,63 0,541,318 HW fV C R S (9.2.1) trong ®ã V lµ vËn tèc dßng ch¶y trung b×nh (fit/s), CHW lµ hÖ sè nh¸m Hazen- Williams nh­ ®· liÖt kª trong b¶ng 9.2.1 cho c¸c èng dÉn b»ng c¸c vËt liÖu kh¸c nhau vµ tuæi sö dông kh¸c nhau, R lµ b¸n kÝnh thñy lùc (ft) vµ Sf lµ ®é dèc ma s¸t. Ph­¬ng tr×nh nµy cã thÓ ®­îc biÓu diÔn d­íi d¹ng tæn thÊt cét n­íc (fit) nh­ sau 1,852 1,1673,02L HW V h LD C         (9.2.2) trong ®ã L lµ ®é dµi ®­êng èng theo ®¬n vÞ fit vµ D lµ ®­êng kÝnh cña ®­êng èng theo ®¬n vÞ ft. Ph­¬ng tr×nh dßng ch¶y trong èng dÉn kh¸c cho tæn thÊt cét n­íc lµ ph­¬ng tr×nh Darcy-Weisbach 376 2 2L L V h f D g  (9.2.3) trong ®ã f lµ yÕu tè ma s¸t. YÕu tè ma s¸t lµ mét hµm cña sè Reynold vµ ®é nh¸m t­¬ng ®èi. §é nh¸m t­¬ng ®èi b»ng ®é nh¸m tuyÖt ®èi cña bÒ mÆt bªn trong èng dÉn chia cho ®­êng kÝnh cña èng. YÕu tè ma s¸t cã thÓ ®­îc x¸c ®Þnh tõ s¬ ®å Moody. Bªn c¹nh tæn thÊt cét n­íc do ma s¸t lµ tæn thÊt n¨ng l­îng ë c¸c ®iÓm nèi. Tæn thÊt n¨ng l­îng nµy t¨ng lªn bëi mét sè c¸c thµnh phÇn ®­îc gäi lµ c¸c thµnh phÇn tæn thÊt côc bé vÝ dô nh­ c¸c ®o¹n cong vµ c¸c van. C¸c thµnh phÇn tæn thÊt côc bé cã thÓ sinh ra tæn thÊt cét n­íc ®¸ng kÓ trong mét ®o¹n èng. C¸c tæn thÊt côc bé tØ lÖ víi cét n­íc l­u tèc vµ lµ mét hµm cña kiÓu khíp nèi, vµ trong tr­êng hîp cña c¸c van lµ ®é më cña nã, 377 H ×n h 9 .1 .1 C ¸ c ch ø c n ¨ n g t h µ n h p h Ç n c ñ a m é t tæ h î p x ö lÝ v µ p h © n p h è i n ­ í c (C u lli n a n e , 1 9 8 9 ). B¶ng 9.2.1 HÖ sè nh¸m Hazen-Williams cho c¸c lo¹i èng b»ng vËt liÖu vµ tuæi sö dông kh¸c nhau (Wood, 1980) 378 KiÓu èng dÉn §iÒu kiÖn HÖ sè Hazen-William. CHW Míi TÊt c¶ c¸c kÝch cì 130 12’’ vµ lín h¬n 120 8’’ 119 5 n¨m tuæi 4’’ 118 24” vµ lín h¬n 113 12” 111 10 n¨m tuæi 4” 107 24” vµ lín h¬n 100 12” 96 20 n¨m tuæi 4” 89 30” vµ lín h¬n 90 16” 87 30 n¨m tuæi 4” 75 40” vµ lín h¬n 77 24” 74 B»ng gang 50 n¨m tuæi 4” 55 ThÐp cã thÓ hµn ®­îc Gi¸ trÞ cña CHW b»ng víi c¸c gi¸ trÞ cña CHW trong tr­êng hîp èng b»ng gang, 5 n¨m tuæi. ThÐp t¸n Gi¸ trÞ cña CHW b»ng víi c¸c gi¸ trÞ cña CHW trong tr­êng hîp èng b»ng gang, 10 n¨m tuæi. Gç Ðp Gi¸ trÞ trung b×nh, kh«ng tÝnh tuæi 120 KÝch th­íc lín, chÊt l­îng tèt, khung s¾t. 140 KÝch th­íc lín, chÊt l­îng tèt, khung gç. 120 Bª t«ng hoÆc khung bª t«ng Quay ly t©m 135 èng Plastic 150 2 2Lm V h M g  (9.2.4) trong ®ã hLm lµ tæn thÊt côc bé, V lµ vËn tèc dßng ch¶y, vµ g lµ gia tèc träng tr­êng. B¶ng 9.2.2 liÖt kª c¸c gi¸ trÞ cña M cho c¸c kiÓu khíp nèi th«ng dông nhÊt. C¸c nót ®­îc ph©n thµnh hai lo¹i, nót liªn kÕt (junction nodes) vµ nót Ên ®Þnh (fixed-grade node - FGN). Nót liªn kÕt lµ c¸c vËt nèi gi÷a hai hoÆc nhiÒu èng dÉn hoÆc lµ n¬i dßng ch¶y ra khái (hoÆc vµo) hÖ thèng. C¸c thay ®æi vÒ ®­êng kÝnh èng dÉn th­êng ®­îc m« h×nh hãa nh­ lµ mét nót liªn kÕt. Nót Ên ®Þnh (FGN) lµ mét nót cã ¸p suÊt vµ ®é cao cè ®Þnh. C¸c bÓ chøa, c¸c thïng n­íc, vµ c¸c ®­êng èng lín cã ¸p suÊt kh«ng ®æi lµ c¸c vÝ dô vÒ nót Ên ®Þnh. C¸c van n­íc cã thÓ ®­îc ®iÒu chØnh ®Ó thay ®æi tæn thÊt cét n­íc ë hai bªn van vµ thËm chÝ cã thÓ ®ãng hoµn toµn ®Ó chÆn dßng ch¶y. TÝnh mÒm dÎo nµy cã thÓ h÷u Ých khi vËn hµnh mét hÖ thèng sao cho dßng ch¶y ch¶y theo c¸c h­íng nµo ®ã, hoÆc ®Ó ®ãng c¸c phÇn cña mét hÖ thèng ®Ó cã thÓ b¶o tr× hoÆc söa ch÷a ®­êng èng dÉn n­íc cña c¸c phÇn ®ã. C¸c van mét chiÒu chØ cho dßng ch¶y ch¶y theo mét h­íng vµ nÕu cã ®ñ ®iÒu kiÖn ®Ó dßng ch¶y ch¶y ng­îc l¹i th× van mét chiÒu nµy sÏ ®ãng l¹i ®Ó chÆn kh«ng cho dßng ch¶y ch¶y qua van. C¸c van mét chiÒu cã thÓ ®­îc l¾p ®Æt ë cuèi ®o¹n èng x¶ n­íc cña mét m¸y b¬m ®Ó chÆn dßng ch¶y ng­îc. Mét kiÓu van kh¸c lµ van ®iÒu hßa ¸p suÊt, cßn ®­îc gäi lµ van gi¶m ¸p (PRV), chóng ®­îc sö dông ®Ó duy tr× cè ®Þnh mét ¸p suÊt cho tr­íc t¹i phÝa h¹ l­u cña van cho tÊt c¶ c¸c dßng ch¶y thÊp h¬n chiÒu cao cét n­íc th­îng l­u. Khi kÕt nèi hÖ thèng n­íc ¸p suÊt cao víi hÖ thèng n­íc ¸p suÊt thÊp, 379 PRV cho phÐp dßng ch¶y tõ hÖ thèng n­íc ¸p suÊt cao nÕu ¸p suÊt trong hÖ thèng n­íc ¸p suÊt thÊp kh«ng v­ît qu¸. Tæn thÊt cét n­íc qua van thay ®æi phô thuéc vµo ¸p suÊt h¹ l­u, chø kh«ng phô thuéc vµo dßng ch¶y trong èng. B¶ng 9.2.2 HÖ sè tæn thÊt cña c¸c khíp nèi th«ng th­êng (Wood, 1980) Lo¹i khíp nèi M Van Glove, më hoµn toµn 10,0 Van Angle, më hoµn toµn 5,0 Van mét chiÒu l¸, më hoµn toµn 2,5 Van c¸nh, më hoµn toµn 0,2 Van c¸nh, më 3/4 1,0 Van c¸nh, më 1/2 5,6 Van c¸nh më 1/4 24,0 Khuûu ®­êng kÝnh ng¾n 0,9 Khuûu ®­êng kÝnh trung b×nh 0,8 Khuûu ®­êng kÝnh lín 0,6 Khuûu 45 0,4 Khuûu uèn kÝn 2,2 MÊu nèi, nèi c¹nh 1,8 MÊu nèi, nèi th¼ng 0,3 KÕt hîp 0,3 45 Tr¹c ba, nèi c¹nh 0,8 45 Tr¹c ba, nèi th¼ng 0,3 H×nh d¹ng ®Çu vµo vu«ng 0,5 miÖng chu«ng 0,1 hai nÊc 0,9 ra 1,0 C¸c bÓ chøa ®­îc sö dông ®Ó tr÷ n­íc trong mét ngµy ®Ó c¸c b¬m cã thÓ vËn hµnh gÇn nh­ víi hiÖu suÊt cùc ®¹i vµ gi¶m thiÓu nhá nhÊt yªu cÇu n¨ng l­îng. Trong mét hÖ thèng ®¬n gi¶n víi mét b¬m, trªn ph­¬ng diÖn gi¸ thµnh b¬m, th× kinh tÕ nhÊt khi vËn hµnh b¬m nµy ë hiÖu suÊt cùc ®¹i cña nã, nh­ng c¸c nhu cÇu th× thay ®æi theo thêi gian nªn ®iÒu nµy lµ kh«ng thÓ. Thªm vµo hÖ thèng mét thïng chøa n­íc, ®ãng vai trß nh­ mét bé ®Öm tr÷ n­íc khi l­îng n­íc ®Õn Ýt vµ x¶ n­íc vµo hÖ thèng khi nhu cÇu n­íc cao, sÏ cho phÐp b¬m n­íc vËn hµnh s¸t víi yªu cÇu trung b×nh. Gi¶ sö r»ng yªu cÇu trung b×nh lµ c«ng suÊt cña b¬m, ®iÒu nµy sÏ lµm cho hiÖu suÊt cña hÖ thèng lín nhÊt ®èi víi gi¸ thµnh b¬m. Tuy nhiªn, gi¸ cña viÖc x©y dùng mét thïng chøa vµ phÇn cßn l¹i cña hÖ thèng cÇn ®­îc thªm vµo gi¸ thµnh n¨ng l­îng ®Ó x¸c ®Þnh gi¸ thµnh trung b×nh cña mÉu thiÕt kÕ. 380 9.3. b¬m n­íc vµ thñy lùc b¬m Môc ®Ých cña c¸c van lµ ®Ó gi¶m chiÒu cao cét n­íc trong hÖ thèng trong khi ®ã c¸c b¬m ®­îc sö dông ®Ó t¨ng n¨ng l­îng. Cã rÊt nhiÒu kiÓu b¬m tån t¹i nh­ng b¬m ly t©m ®­îc sö dông th­êng xuyªn nhÊt trong c¸c hÖ thèng ph©n phèi n­íc. C¸c b¬m ly t©m truyÒn n¨ng l­îng cho n­íc th«ng qua mét phÇn tö quay ®­îc gäi lµ bé ®Èy vµ b¬m ly t©m cã thÓ ®­îc ph©n lµm hai lo¹i, ly t©m vµ h­íng t©m, tuú thuéc vµo h­íng n­íc ph¶i ch¶y. Sè l­îng vµ gãc nghiªng cña c¸c c¸nh qu¹t trªn bé ®Èy vµ tèc ®é m«-t¬ cña b¬m ¶nh h­ëng ®Õn c¸c ®Æc ®iÓm vËn hµnh cña c¸c b¬m ly t©m. §­êng cong ®Æc tr­ng chiÒu cao cét n­íc m¸y b¬m lµ ®å thÞ biÓu diÔn quan hÖ gi÷a tæng chiÒu cao cét n­íc ®éng víi l­îng n­íc mµ b¬m cã thÓ cung cÊp. C¸c ®­êng cong nµy th­êng ®­îc x¸c ®Þnh tõ c¸c ®o l­êng b¬m thùc hiÖn bëi nhµ m¸y s¶n xuÊt b¬m. Khi cã mét hoÆc nhiÒu b¬m ®­îc vËn hµnh, c¸c tæn thÊt cña tr¹m b¬m hay lµ c¸c tæn thÊt cét n­íc cña èng dÉn n­íc vµo vµ ra khái b¬m, cÇn ®­îc trõ khái ®­êng cong cña m¸y b¬m cña nhµ s¶n xuÊt ®Ó cã ®­îc ®­êng cong ®Æc ®iÓm — chiÒu cao cét n­íc hiÖu ®· hiÖu chØnh, nh­ tr×nh bµy trong h×nh 9.3.1. Hai ®iÓm quan träng cña ®­êng cong m¸y b¬m lµ cét n­íc t¾t vµ l­îng n­íc x¶ b×nh th­êng hay c«ng suÊt tû lÖ. Cét n­íc t¾t lµ cét n­íc ®Çu ra cña m¸y b¬m khi l­u l­îng b»ng kh«ng, cßn l­u l­îng tiªu chuÈn (hay cét n­íc) hay c«ng suÊt tû lÖ lµ l­u l­îng (hay cét n­íc) khi b¬m vËn hµnh t¹i møc ®é cã hiÖu qu¶ lín nhÊt. C¸c m«-t¬ cã vËn tèc biÕn ®æi cã thÓ ®iÒu chØnh b¬m ë mét sè c¸c vËn tèc quay, dÉn ®Õn mét m¸y b¬m ®¬n lÎ cã mét bé c¸c ®­êng cong m¸y b¬m. §Æc biÖt, ®Ó cung cÊp mét dßng ch¶y vµ chiÒu cao cét n­íc cho tr­íc, mét nhãm m¸y b¬m ®­îc cung cÊp ®Ó vËn hµnh nèi tiÕp hoÆc song song vµ sè m¸y b¬m lµm viÖc phô thuéc vµo c¸c dßng ch¶y yªu cÇu. §iÒu nµy khiÕn cho viÖc vËn hµnh c¸c m¸y b¬m gÇn víi hiÖu suÊt cao nhÊt cña nã lµ kh¶ thi. 381 H×nh 9.3.1 §­êng cong m¸y b¬m ®· hiÖu chØnh. C¸c nhµ m¸y s¶n xuÊt b¬m ®ång thêi còng cung cÊp c¸c ®Æc ®iÓm cña b¬m cho c¸c vËn tèc kh¸c nhau vµ cho c¸c kÝch th­íc bé ®Èy kh¸c nhau, nh­ ®· tr×nh bµy trong h×nh 9.3.2. Sù vËn hµnh nhiÒu m¸y b¬m cho mét hoÆc nhiÒu m¸y b¬m m¾c song song hoÆc m¾c nèi tiÕp cÇn cã thªm c¸c ®­êng cong ®Æc ®iÓm — chiÒu cao cét n­íc ®· söa ®æi. §Ó vËn hµnh c¸c m¸y b¬m m¾c song song, c¸c ®­êng cong ®Æc tr­ng cét n­íc ®­îc thªm vµo theo chiÒu ngang víi chiÒu cao cét n­íc t­¬ng øng vÉn gi÷ nguyªn (h×nh 9.3.3). §Ó vËn hµnh c¸c m¸y b¬m m¾c nèi tiÕp, c¸c ®­êng cong ®Æc tr­ng chiÒu cao cét n­íc ®­îc thªm vµo theo chiÒu däc víi c¸c l­îng n­íc x¶ t­¬ng øng vÉn gi÷ nguyªn. 382 H×nh 9.3.2 C¸c ®­êng cong hiÖu suÊt m¸y b¬m cña nhµ m¸y s¶n xuÊt. H×nh 9.3.3 VËn hµnh c¸c m¸y b¬m m¾c nèi tiÕp vµ m¾c song song. 383 H×nh 9.3.4 §iÓm vËn hµnh cho m¸y b¬m. §­êng cong cét n­íc hÖ thèng lµ ®å thÞ biÓu diÔn tæng cét n­íc ®éng (total dynamic head - TDH), ®­îc tÝnh bëi cét n­íc cè ®Þnh céng víi tæn thÊt cét n­íc, nh©n víi l­îng n­íc x¶. C¸c tæn thÊt cét n­íc lµ mét hµm cña vËn tèc dßng ch¶y, kÝch th­íc vµ chiÒu dµi cña èng, vµ kÝch th­íc, sè l­îng vµ kiÓu cña khíp nèi. H×nh 9.3.4 minh häa mét ®­êng cong cét n­íc hÖ thèng cña mét ®é n©ng tÜnh nhá nhÊt vµ lín nhÊt víi c¸c ®­êng cong ®Æc tr­ng cét b¬m biÕn ®æi. Chó ý r»ng c¸c ®iÓm vËn hµnh lµ ë n¬i ®­êng cong cét n­íc hÖ thèng vµ c¸c ®­êng cong cét n­íc b¬m biÕn ®æi c¾t nhau. C¸c nhµ m¸y s¶n xuÊt b¬m ®ång thêi cung cÊp c¸c ®­êng cong vÒ m· lùc h·m (yªu cÇu cña b¬m) cho l­u l­îng b¬m (xem h×nh 9.3.2). M· lùc h·m, Ep, ®­îc tÝnh b»ng c«ng thøc 550p QH E e  (9.3.1) trong ®ã Q lµ l­îng x¶ m¸y b¬m (cfs), H lµ tæng chiÒu cao cét n­íc ®éng (ft), γ lµ khèi l­îng riªng cña n­íc (lb/ft3) vµ e lµ hÖ sè m¸y b¬m. HiÖu suÊt m¸y b¬m lµ n¨ng l­îng cung cÊp cho n­íc cña m¸y b¬m (m· lùc n­íc) chia cho n¨ng l­îng cung cÊp cho m¸y b¬m cña m«-t¬ (m· lùc h·m). C¸c ®­êng cong hiÖu suÊt m¸y b¬m, nh­ tr×nh bµy trong h×nh 9.3.2 chØ râ m¸y b¬m truyÒn n¨ng l­îng cho n­íc tèt nh­ thÕ nµo. 9.4. M« pháng m¹ng l­íi cÊp n­íc 9.4.1. C¸c ®Þnh luËt b¶o toµn Sù ph©n phèi dßng ch¶y th«ng qua mét m¹ng l­íi cÊp n­íc d­íi h×nh thøc t¶i träng ®· biÕt cÇn tháa m·n ®Þnh luËt b¶o toµn khèi l­îng vµ ®Þnh luËt b¶o toµn n¨ng l­îng. H×nh 9.4.1 m« t¶ mét vÝ dô ®¬n gi¶n vÒ m¹ng l­íi cÊp n­íc 384 gåm 19 ®­êng èng dÉn n­íc. Gi¶ sö r»ng n­íc lµ chÊt láng kh«ng nÐn ®­îc, b»ng ®Þnh luËt b¶o toµn khèi l­îng, dßng ch¶y t¹i mçi nót nèi tiÕp cÇn ®­îc b¶o toµn nh­ sau ext Q Q Q  vµo ra (9.4.1) trong ®ã Qvµo vµ Qra lÇn l­ît lµ c¸c dßng ch¶y trong èng vµo vµ ra khái nót, vµ Qext lµ nhu cÇu bªn ngoµi hoÆc l­îng n­íc cung cÊp cho nót. H×nh 9.4.1 Mét vÝ dô vÒ m¹ng l­íi cÊp n­íc (Wood vµ Charles, 1972). Víi mçi chu tr×nh chÝnh, lµ mét ®­êng dÉn ®éc lËp khÐp kÝn, ®Þnh luËt b¶o toµn n¨ng l­îng cÇn ®­îc tháa m·n; ®ã lµ, tæng n¨ng l­îng hoÆc c¸c tæn thÊt cét n­íc, hL, trõ ®i n¨ng l­îng t¨ng lªn do c¸c m¸y b¬m, trong chu tr×nh cÇn ph¶i b»ng kh«ng, , , 0 i j p p L k i j I k J h H      m¸y b¬m, (9.4.2) trong ®ã ,i jL h lµ tæn thÊt cét n­íc trong ®o¹n èng nèi gi÷a nót i vµ j; Ip lµ tËp hîp c¸c ®o¹n èng trong vßng lÆp p; k lµ chØ sè m¸y b¬m; Jp lµ tËp hîp c¸c b¬m trong vßng lÆp p; vµ Hm¸y b¬m,k lµ n¨ng l­îng thªm vµo bëi b¬m k 385 trong chu tr×nh vµ tæng trªn toµn bé m¸y b¬m. Ph­¬ng tr×nh (9.4.2) cÇn ®­îc viÕt cho tÊt c¶ c¸c chu tr×nh ®éc lËp. N¨ng l­îng gi÷a c¸c nót Ên ®Þnh, hay lµ c¸c ®iÓm cã chiÒu cao so víi mÆt biÓn céng víi chiÒu cao cét n­íc ¸p lùc (grade) lµ mét h»ng sè ®· biÕt. NÕu cã NF nót nh­ thÕ th× sÏ cã NF - 1 ph­¬ng tr×nh ®éc lËp cã d¹ng: , , i j p p LFGN i j I k J E h H       m¸y b¬m,k (9.4.3) trong ®ã FGNE lµ hiÖu gi÷a hai tæng grade cña FGN. Tæng sè c¸c ph­¬ng tr×nh, NJ + NL + (NF - 1), ®ång thêi còng lµ sè ®­êng èng trong m¹ng l­íi dÉn n­íc, trong ®ã NJ lµ sè c¸c nót nèi tiÕp vµ NL lµ tæng sè c¸c vßng lÆp ®éc lËp. Sù thay ®æi cña cét n­íc x¶y ra ë mçi thµnh phÇn cã liªn quan ®Õn dßng ch¶y ch¶y qua thµnh phÇn ®ã. B»ng c¸ch thay thÕ c¸c quan hÖ thÝch hîp cho mçi thµnh phÇn ë c¸c ph­¬ng tr×nh liªn tôc vµ ph­¬ng tr×nh n¨ng l­îng, ta cã thÓ thiÕt lËp mét hÖ c¸c ph­¬ng tr×nh phi tuyÕn víi sè biÕn ch­a biÕt kh«ng ®æi. HÖ c¸c ph­¬ng tr×nh nµy cã thÓ ®­îc gi¶i b»ng c¸c ph­¬ng ph¸p lÆp cho c¸c biÕn ch­a biÕt. Mét vµi ch­¬ng tr×nh m¸y tÝnh ®· ®­îc viÕt ®Ó tù ®éng hãa c¸c tiÕn tr×nh nµy. C¸c m« h×nh nµy ®­îc gäi lµ gi¶i hÖ thèng (network solvers) hoÆc c¸c m« h×nh m« pháng, ngµy nay, ®­îc chÊp nhËn vµ øng dông réng r·i. Môc nµy tr×nh bµy c¸c ph­¬ng tr×nh ®­îc sö dông ®Ó m« t¶ nh÷ng mèi quan hÖ gi÷a tæn thÊt cét n­íc vµ dßng ch¶y, sau ®ã gi¶i thÝch tõng thµnh phÇn ®­îc m« t¶ trong mét m« h×nh m« pháng m¹ng l­íi cÊp n­íc nh­ thÕ nµo. Tæn thÊt n¨ng l­îng cña dßng n­íc trong mét ®­êng èng ®­îc m« t¶ ®Æc tr­ng bëi ph­¬ng tr×nh Hazen-Williams (9.2.1), nã cã thÓ ®­îc biÓu diÔn d­íi d¹ng tèc ®é dßng ch¶y Q nh­ sau 1.852 1.852 1.852 4.87 pL HW KLQ h K Q C D   (9.4.4) trong ®ã K lµ mét hÖ sè, L vµ D lÇn l­ît lµ chiÒu dµi vµ ®­êng kÝnh èng. vµ Kp lµ tÝch sè cña c¸c h»ng sè. Tæn thÊt n¨ng l­îng biÓu diÔn b»ng ph­¬ng tr×nh Darcy-Weisbach lµ 2 2 2 2 5 8 2 pL L V fL h f Q K Q D g gD    (9.4.5) T­¬ng tù nh­ thÕ, c¸c tæn thÊt n¨ng l­îng d­íi d¹ng tæn thÊt côc bé ë c¸c van, sù më réng hay thu hÑp ®­êng èng... ®­îc cho bëi 2 2 2 mLm V h M K Q g   (9.4.6) trong ®ã Km lµ hÖ sè, tæ hîp cña M, g vµ ®­êng kÝnh cña èng dÉn. Mèi quan hÖ gi÷a cét n­íc gia t¨ng, Hm¸y b¬m vµ l­îng n­íc x¶, Q, lµ mét ®­êng cong lâm ®Æc tr­ng víi Hm¸y b¬m t¨ng lªn khi Q gi¶m ®i, nh­ 386 trong h×nh 9.3.2. Víi kho¶ng vËn hµnh b×nh th­êng, ®­êng cong nµy th­êng ®­îc xÊp xØ tèt b»ng mét ph­¬ng tr×nh bËc hai hoÆc ph­¬ng tr×nh mò, ®ã lµ, 2 cH AQ BQ H  m¸y b¬m (9.4.7) hoÆc ncH H CQ m¸y b¬m (9.4.8) víi A, B vµ n lµ c¸c hÖ sè vµ Hc lµ cét n­íc t¾t hoÆc chiÒu cao cét n­íc cùc ®¹i. Còng liªn quan ®Õn m¸y b¬m lµ ®­êng cong hiÖu suÊt, nã x¸c ®Þnh mèi quan hÖ gi÷a n¨ng l­îng tiªu thô vµ c«ng suÊt m¸y b¬m (h×nh 9.3.2). HiÖu suÊt, e, lµ mét hµm cña Q vµ nã xuÊt hiÖn trong ph­¬ng tr×nh (9.3.1) nh­ lµ mét hµm cña c«ng suÊt, Ep, ®ã lµ, 550 p QH e E   m¸y b¬m (9.4.9) M¸y b¬m ®¹t ®­îc hiÖu suÊt cùc ®¹i t¹i l­u l­îng thiÕt kÕ hay l­u l­îng tiªu chuÈn. Phô thuéc vµo m« h×nh m« pháng, mét m¸y b¬m cã thÓ ®­îc m« t¶ bëi mét ®­êng cong cña mét h»ng sè c«ng suÊt, Ep. Nh­ ®· l­u ý trong môc tr­íc, c¸c rµng buéc giíi h¹n trong bµi to¸n thiÕt kÕ th­êng lµ giíi h¹n vÒ ¸p suÊt t¹i c¸c ®iÓm nót. Khi c¸c tæn thÊt cét n­íc trong hÖ thèng t¨ng lªn gÇn nh­ lµ theo quy luËt b×nh ph­¬ng víi c¸c tèc ®é dßng ch¶y nh­ trong ph­¬ng tr×nh Hazen-Williams, cÇn cã mét chiÒu cao cét n­íc nhá h¬n cho c¸c tæ hîp víi tæng yªu cÇu thÊp h¬n vµ khi møc yªu cÇu t¨ng lªn th× chiÒu cao cét n­íc cÇn t¨ng lªn nhanh h¬n lµ theo quy luËt tuyÕn tÝnh. Mèi quan hÖ nµy lµ mét ®­êng cong hÖ thèng, tõ ®ã cã thÓ x¸c ®Þnh ®­îc chi phÝ vËn hµnh nhá nhÊt cña c¸c m¸y b¬m (h×nh 9.3.4). 9.4.2. C¸c ph­¬ng tr×nh m¹ng l­íi cÊp n­íc C¸c ph­¬ng tr×nh b¶o toµn chÝnh cã thÓ ®­îc viÕt d­íi d¹ng c¸c chiÒu cao cét n­íc ch­a biÕt t¹i c¸c nót hoÆc c¸c dßng ch¶y trong èng sö dông c¸c ph­¬ng tr×nh lÆp, ph­¬ng tr×nh chiÒu cao cét n­íc hoÆc c¸c ph­¬ng tr×nh thuéc nót, hoÆc c¸c ph­¬ng tr×nh ∆Q. C¸c ph­¬ng tr×nh lÆp hoÆc c¸c ph­¬ng tr×nh dßng ch¶y bao gåm c¸c liªn kÕt ®­îc viÕt cho Np tèc ®é dßng ch¶y ch­a biÕt. C¸c ph­¬ng tr×nh thµnh phÇn víi c¸c dßng ch¶y trong èng ®­îc thay cho hL trong c¸c ph­¬ng tr×nh n¨ng l­îng ®Ó t¹o nªn NL + (NF - 1) ph­¬ng tr×nh thªm vµo. §iÒu nµy dÉn ®Õn Np ph­¬ng tr×nh ®­îc viÕt cho Np tèc ®é dßng ch¶y ch­a biÕt. C¸c ph­¬ng tr×nh chiÒu cao cét n­íc hoÆc c¸c ph­¬ng tr×nh nót chØ sö dông dßng ch¶y liªn tôc vµ xÐt c¸c chiÒu cao cét n­íc ë c¸c nót nh­ lµ c¸c Èn sè ch­a biÕt h¬n lµ c¸c dßng ch¶y trong èng. Trong tr­êng hîp nµy sè ph­¬ng tr×nh sÏ t¨ng lªn do cÇn cã c¸c ph­¬ng tr×nh thªm vµo cho mçi m¸y b¬m vµ van. Sù kh¸c nhau vÒ chiÒu cao cét n­íc gi÷a hai nót i vµ j trong mét liªn kÕt b»ng hL,i,j. 387 , , i jL i jh H H  (9.4.10) Mèi quan hÖ nµy cã thÓ ®­îc thay vµo ph­¬ng tr×nh Hazen-Williams, ph­¬ng tr×nh nµy ®­îc viÕt l¹i vµ thay thÕ cho Q trong ph­¬ng tr×nh liªn tôc. Ph­¬ng tr×nh nót sau ®©y cho nót vÏ trong h×nh 9.4.2 víi gi¶ thiÕt lµ c¸c h­íng dßng ch¶y ®­îc x¸c ®Þnh bëi c¸c mòi tªn (dßng ch¶y tõ mét nót liªn kÕt lµ ©m) 0.54 0.540.54 1 2 , , , , , 1 , 2, 0i ii j j j ext i p i j p i j p j i H H H HH H Q K K K                                  (9.4.11) trong ®ã Kp,i,j lµ hÖ sè ®­îc x¸c ®Þnh trong c¸c ph­¬ng tr×nh (9.4.4) vµ (9.4.5) cña nót tiÕp nèi èng i vµ j. C¸c ph­¬ng tr×nh nót nµy cã thÓ ®­îc viÕt cho mçi nót liªn kÕt vµ nót thµnh phÇn, t¹o nªn mét hÖ c¸c ph­¬ng tr×nh phi tuyÕn cã sè Èn sè gièng nhau b»ng tæng sè c¸c chiÒu cao cét n­íc t¹i c¸c nót. T­¬ng tù nh­ thÕ, c¸c ph­¬ng tr×nh cho c¸c thµnh phÇn kh¸c cã thÓ ®­îc viÕt l¹i theo c¸c chiÒu cao cét n­íc t¹i c¸c nót. C¸c ph­¬ng tr×nh nót cã thÓ ®­îc tuyÕn tÝnh hãa b»ng mét kü thuËt gi¶i lÆp. Q ph­¬ng tr×nh sö dông trùc tiÕp c¸c ph­¬ng tr×nh lÆp vµ hoµn toµn ch¾c ch¾n r»ng c¸c ph­¬ng tr×nh nót ®­îc tháa m·n. Trong qu¸ tr×nh thiÕt lËp c«ng thøc nµy c¸c ph­¬ng tr×nh n¨ng l­îng cho mçi vßng lÆp ®­îc viÕt d­íi d¹ng c¸c dßng ch¶y, , , , , ( , ) ( ) 0 p n p i j i j i j i j I K Q Q    (9.4.12) trong ®ã Ip lµ tËp hîp c¸c èng dÉn trong vßng lÆp p. Mét gi¸ trÞ ban ®Çu, tháa m·n tÝnh liªn tôc cña dßng ch¶y, ®­îc ®­a vµo ë thêi ®iÓm ®Çu cña thuËt to¸n. TÝnh yÕu tè ®· hiÖu chØnh Q cña vßng lÆp ®Ó thu ®­îc c¸c ®¼ng thøc vµ yÕu tè ®· hiÖu chØnh Q ®­îc x¸c ®Þnh ®Ó tÝnh liªn tôc ®­îc b¶o toµn. Mét ph­¬ng ph¸p lÆp ®­îc sö dông ®Ó cËp nhËt vµ héi tô vÒ mét lêi gi¶i thÝch hîp. M¤ PHáNG THêI KHO¶NG kÐo dµi. C¸c ph­¬ng tr×nh ®­îc m« t¶ trªn ®©y lµ c¸c mèi quan hÖ gi÷a dßng ch¶y vµ chiÒu cao cét n­íc cña c¸c thµnh phÇn chÝnh trong m¹ng l­íi cÊp n­íc vµ cã thÓ ®­îc gi¶i cho mét kiÓu nhu cÇu ®¬n vËn hµnh trong tr¹ng th¸i æn ®Þnh. Mét m« pháng thêi kho¶ng më réng (EPS) ph©n tÝch theo tr×nh tù mét chuçi c¸c kiÓu nhu cÇu. Môc ®Ých cña mét EPS lµ x¸c ®Þnh sù thay ®æi cña c¸c mùc n­íc trong bÓ chøa vµ c¸c ¶nh h­ëng cña chóng lªn ¸p suÊt trong hÖ thèng. §é cao so víi mÆt biÓn cña mÆt n­íc trong bÓ chøa thay ®æi phô thuéc vµo sù ph©n phèi ¸p suÊt t¹i nót mµ bÓ chøa nèi víi hÖ thèng. Kh¸c víi ph©n tÝch mét thêi kho¶ng ®¬n, trong ®ã mùc n­íc bÓ chøa ®­îc coi lµ cè ®Þnh, trong EPS c¸c mùc n­íc bÓ chøa thay ®æi theo c¸c m« pháng diÔn tiÕn ®Ó gi¶i thÝch cho nguyªn nh©n cña dßng ch¶y ®Õn vµ dßng ch¶y ®i. Trong mét m« pháng æn ®Þnh, c¸c dßng ch¶y ®­îc gi¶ thiÕt lµ cè ®Þnh trong 388 suèt mét thêi kho¶ng con. C¸c mùc n­íc bÓ chøa, ®­îc m« h×nh hãa nh­ lµ c¸c FGN, ®­îc ®iÒu chØnh b»ng c¸ch sö dông mét tÝnh liªn tôc ®¬n gi¶n t¹i cuèi thêi kho¶ng con vµ nh÷ng mùc n­íc míi nµy sau ®ã ®­îc sö dông nh­ lµ c¸c nót Ên ®Þnh cho thêi kho¶ng con tiÕp theo. §é chÝnh x¸c cña m« pháng phô thuéc vµo ®é dµi cña c¸c thêi kho¶ng con vµ l­îng dßng ch¶y vµo vµ ra khái bÓ chøa. 9.4.3. C¸c thuËt to¸n m« pháng m¹ng l­íi cÊp n­íc Mét sè ph­¬ng ph¸p gi¶i lÆp ®· ®­îc ¸p dông ®Ó gi¶i c¸c hÖ ph­¬ng tr×nh ®­îc m« t¶ ë môc tr­íc; trong ®ã bao gåm ph­¬ng ph¸p tuyÕn tÝnh lý thuyÕt, ph­¬ng ph¸p Newton-Raphson, vµ kü thuËt Hardy-Cross. Do ®Æc tÝnh cña c¸c ph­¬ng tr×nh, dïng ph­¬ng ph¸p tuyÕn tÝnh lý thuyÕt ®Ó gi¶i c¸c ph­¬ng tr×nh dßng ch¶y vµ ph­¬ng ph¸p Newton-Raphson (xem ch­¬ng 4) ®Ó gi¶i c¸c ph­¬ng tr×nh nót lµ hiÖu qu¶ nhÊt. Môc nµy tr×nh bµy tãm t¾t ph­¬ng ph¸p tuyÕn tÝnh lý thuyÕt. Ph­¬ng ph¸p tuyÕn tÝnh lý thuyÕt ®­îc giíi thiÖu bëi Wood vµ Charles (1972) cho c¸c m¹ng l­íi cÊp n­íc ®¬n gi¶n vµ sau ®ã ®­îc më réng ®Ó bao gåm c¸c m¸y b¬m vµ c¸c linh kiÖn kh¸c (Wood, 1980). Martin vµ Peters (1963) ®· c«ng bè mét thuËt to¸n sö dông ph­¬ng ph¸p Newton-Raphson cho mét hÖ thèng èng dÉn n­íc. Shamir vµ Howard (1968) cho thÊy c¸c m¸y b¬m vµ c¸c van n­íc cã thÓ ®­îc kÕt hîp còng nh­ cã kh¶ n¨ng t×m lêi gi¶i cho c¸c Èn sè ch­a biÕt bªn c¹nh c¸c chiÒu cao cét n­íc cña c¸c nót. C¸c nghiªn cøu kh¸c sö dông ph­¬ng ph¸p Newton-Raphson ®· ®­îc giíi thiÖu lµ dùa trªn viÖc khai th¸c cÊu tróc ma trËn (Epp vµ Fowler, 1970; Lemieux, 1972; vµ Gessler vµ Walski, 1985) hoÆc sö dông c¸c phÐp ho¸n vÞ cña ph­¬ng ph¸p nghiÖm hçn hîp (Liu, 1969). ThuËt to¸n thø ba, ph­¬ng ph¸p Hardy-Cross (Linsley vµ Franzini, 1979), ®­îc kÕt hîp víi c¸c ph­¬ng tr×nh Q. Ph­¬ng ph¸p ®­îc ph¸t triÓn vµo n¨m 1936 (bëi Hardy-Cross) rÊt hÊp dÉn víi c¸c tÝnh to¸n b»ng tay vµ dÔ dµng lËp tr×nh tuy nhiªn, vÒ c¬ b¶n nã lµ ph­¬ng ph¸p Newton-Raphson ¸p dông cho mét vßng lÆp t¹i mét thêi ®iÓm. Nã yªu cÇu nhiÒu thêi gian tÝnh to¸n h¬n so víi hai ph­¬ng ph¸p kia vµ víi c¸c m¹ng l­íi cÊp n­íc lín, phøc t¹p th× nã héi tô chËm. So s¸nh víi c¸c ph­¬ng ph¸p kh¸c, ph­¬ng ph¸p Newton-Raphson cã thÓ héi tô nhanh h¬n ph­¬ng ph¸p tuyÕn tÝnh ®èi víi c¸c hÖ thèng nhá nh­ng ng­îc l¹i nã cã thÓ héi tô rÊt chËm ®èi víi c¸c m¹ng l­íi cÊp n­íc lín khi so s¸nh víi ph­¬ng ph¸p tuyÕn tÝnh lý thuyÕt (Wood vµ Charles, 1972). Tuy nhiªn, ph­¬ng ph¸p lý thuyÕt tuyÕn tÝnh cã kh¶ n¨ng ph©n tÝch tÊt c¶ c¸c thµnh phÇn, víi tÝnh mÒm dÎo h¬n trong sù biÓu diÔn c¸c m¸y b¬m vµ c¸c thuéc tÝnh héi tô tèt h¬n. M« h×nh cña ®¹i häc Kentucky (The University of Kentucky model), KYPIPE, cña Wood (