Tính toán lựa chọn máy bơm cho mạng lưới thoát nước thành phố, khu công nghiệp
- KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MƯA
Nhiệm vụ của hệ thống thoát nước mưa là vận chuyển nước mưa ra khỏi thành phố, khu dân cư, khu công nghiệp một cách nhanh chóng và có tổ chức để tránh xảy ra ngập lụt. Đối với nước ta là nước có khí hậu nhiệt đới gió mùa do đó thoát nước mưa có ý nghĩa quan trọng, có ảnh hưởng tới nền kinh tế quốc dân:
- Chống ngập lụt tức thời trong các thành phố;
- Giải quyết vấn đề tiêu thủy chống úng cho vùng đồng bằng.
Trước khi thiết kế hệ thống thoát nước cho vùng nào ta phải chọn hệ thống thoát nước cho vùng đó. Hệ thống thoát nước mưa cũng chia làm các bộ phận sau:
Mạng lưới thoát nước mưa gồm mạng lưới thoát nước mưa bên trong và bên ngoài. Mạng lưới thoát nước mưa trong thu nước mưa từ nền, mái nhà,… Mạng lưới thoát nước mưa bên ngoài có nhiệm vụ thu nước mưa từ mạng lưới thoát nước mưa bên trong và vận chuyển ra khỏi thành phố, gồm các bộ phận:
- Giếng kiểm tra: kiểm tra nước mưa trong tiểu khu trước khi ra nguồn;
- Giếng thu nước mưa;
- Trạm bơm thoát nước mưa;
- Hồ điều hòa;
- Công trình xả nước mưa vào nguồn;
- Mương đề phòng lũ (thường xây dựng ở vùng trung du và đồi núi).
2.MƯA VÀ LƯỢNG MƯA
Các vùng trên trái đất có lượng mưa khác nhau phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên, địa hình, khí hậu. Lượng mưa tính trung bình bằng mm cột nước hay l/ha. Các nước ở gần vùng xích đạo có lượng mưa lớn hơn. Ở Việt Nam mùa mưa từ tháng 5 – 10. Lượng mưa chiếm 80 – 85% cả năm. Trong tháng 6 – 8 hay xảy ra các trạn mưa lớn gây lũ. Các sông miền Bắc có mực nước cao. Sông Hồng có mực nước cao hơn mặt đất trung bình của vùng đồng bằng do đó không dùng sông tiêu thủy trong mùa mưa được.
- Lượng mưa bình quân năm là lượng mưa bình quân của một năm trong nhiều năm quan sát.
- Lượng mưa bình quân tháng: lấy lượng mưa bình quân của những tháng cùng tên trong nhiều năm quan sát.
- Lượng mưa ngày lớn nhất là lượng mưa tuyệt đối của một ngày nào đó có lượng lớn nhất trong năm.
II.TÀI LIỆU CƠ BẢN ĐỂ TÍNH TOÁN MẠNG LƯỚI THOÁT NƯỚC MƯA
- Cường Độ, Thời Gian Mưa, Dụng Cụ Đo Mưa Cường Độ Mưa
Cường độ mưa là lượng mưa rơi trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian:
| – Lớp nước | : i | = h/t (mm/phút) | (9.1) | |
| – Thể tích | : q | = lượng mưa/ha.s (L/ha.s) | (9.2) |
Mối liên hệ giữa hai loại cường độ trên:
q = i ´10000 ´1000 = 166,7i
Thời Gian MưaThời gian mưa là khoảng thời gian có mưa liên tục, có thể tính cho cả trận mưa hoặc một phần của trận mưa, thường tính bằng giời hoặc phút.
Dụng Cụ Đo Mưa
Để tính toán mạng lưới thoát nước mưa phải biết lượng mưa. Để đo lượng mưa người ta dùng dụng cụ đo mưa.
Dụng cụ đo mưa đơn giản là một thùng tôn (1) hình trụ có đường kính 25,2 cm, có chiều cao bằng 40 cm, thường được đặt vào vỏ hình chóp bằng tôn (2) nhằm hạn chế gió mưa tạt vào thùng. Nước mưa rơi vào thùng 1 qua ống (3) chảy vào cốc đo để biết lượng mưa.
Dụng cụ này phải đặt cao hơn mặt đất 2 m và cách xa nhà, cây cối 20 m. Dụng cụ này chỉ đo được lượng mưa chung cho một ngày hoặc một trận mưa. Nếu có theo dõi thời gian mưa có thể xác định cường độ mưa trung bình, nhưng để thiết kế mạng lưới thoát nước mưa thì dụng cụ trên chưa thể thu được đầy đủ những dữ liệu cần thiết. Để xác định được cường độ mưa i biến thiên theo thời gian t cần phải dùng dụng cụ khác.
Dụng cụ đo mưa tự ghi gồm một thùng bằng trụ (1) diện tích miệng bằng 500 cm2 dùng
để thu nước mưa. Nước mưa qua ống dẫn (2) chảy vào bình (3). Trong bình (3) có phao
(4) gắn với bút tự ghi. Bút tự ghi tiếp xúc với bảng giấy dán trên trục quay (5), bố trí quay 1 vòng hết 24 giờ. Khi mưa, nước mưa rơi vào ống (1) rồi sang ống (3), phao (4) nổi lên, bút tự ghi. Nếu mưa quá lớn, nước đầy bình (3) do đó tràn qua (6) vào (7), nước lại tụt xuống.
2.Chu Kỳ Lập Lại Trận Mưa và Chu Kỳ Ngập Lụt Tức Thời
Chu kỳ lập lại trận mưa là khoảng thời gian tính bằng năm để xuất hiện hai trận mưa có cường độ và thời gian giống như nhau. Các trận mưa càng lớn thì chu kỳ lập lại càng lâu và ngược lại.
Mục đích thoát nước mưa là cho các trận mưa lớn, để an toàn, chọn d lớn, do đó giá thành xây dựng cao nhưng thời gian sử dụng ít nên gây lãng phí. Do đó, khi tính toán chỉ tính cho một trận mưa nào đó có cường độ và thời gian mưa xác định và có chu lỳ lập lại
đã biết trước. Trận mưa đó chính là trận mưa tính toán. Đối với trận mưa có cường độ lớn hơn trận mưa tính toán sẽ gây ngập lụt.
Chu kỳ ngập lụt tức thời là khoảng thời gian tính bằng năm để xuất hiện một trận mưa lớn hơn trận mưa tính toán (ký hiệu là P).
Để thiết kế hệ thống thoát nước mưa bảo đảm về yêu cầu kinh tế và kỹ thuật phải chọn
được P hợp lý. Cơ sở chọn P dựa vào điều kiện kinh tế và kỹ thuật địa phương.
3.Chỉnh Lý Số Liệu Ghi Mưa
Ngoài việc xác định i = f(t), cần phải xác định chu kỳ lập lại. Muốn vậy ta phải chỉnh lý tài liệu ghi mưa theo phương pháp như sau:
- Xuất phát từ tài liệu ghi mưa tự động
- Phân tích số liệu ghi mưa
Chia đường cong i = f(t) thành các đoạn ngắn có cùng cường độ. Có thể xác định bằng cách chia đường cong thành những đoạn có cùng độ dốc và lập một bảng để biết cường độ mưa trong từng khoảng thời gian (Bảng 9.1).
Bảng 9.1 Cường độ mưa trong từng khoảng thời gian
| STT | Khoảng thời gia n | Thời gian (phút) | Cốt nước (mm) | Cường độ mưa (mm/phút) |
| 01 | 10h10 – 10h14 | 4 | 0,5 | 0,125 |
| 02 | 10h14 – 10h18 | 4 | 2,0 | 0,500 |
| 03 | 10h18 – 10h20 | 2 | 0,9 | 0,450 |
| 04 | 10h20 – 10h24 | 4 | 0,7 | 0,175 |
| 05 | 10h24 – 10h30 | 6 | 0,5 | 0,083 |
| 06 | 10h30 – 10h34 | 4 | 0,6 | 0,150 |
Cường độ một trận mưa thay đổi không theo một quy luật nào do đó ta phải chỉnh lý để
tìm quy luật chung tức là lập một mẫu mưa nhân tạo.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Bảng 9.2 Thống kê theo chiều giảm dần của cường độ mưa
- Lập đồ thị từ kết quả trình bày trong Bảng 9.2.
Phương trình trên có dạng hàm số mũ y = a/xn (hypecbon). Do đó dùng kết quả tính trong Bảng 9.2, dựng đồ thị trên hệ tọa độ logarit.
Đường cong q = f(t) là đường gấp khúc gần như đường thẳng có phương trình y = a – nx.
Đồ thị này là mẫu mưa nhân tạo. Đến đây, công tác chỉnh lý đã hoàn tất.
Nếu dùng dụng cụ ghi mưa tự động theo dõi mưa của một vùng nào đó và bằng phương pháp chỉnh lý như trên ta được quy luật chung của các trận mưa và biểu diễn chúng trên cùng hệ trục tọa độ logarit. Dựa vào đồ thị theo dõi ta biết được quy luật mưa của vùng
đó và chu kỳ lập lại của một trận mưa. Ví dụ theo dõi tình hình mưa của vùng trong 20 năm ta có đồ thị sau:
t (phút)
Mỗi đường gấp khúc là một trận mưa có thật sau khi đã chỉnh lý. Đường trên cùng là trận mưa 20 năm mới xuất hiện một lần. Giả sử thiết kế mạng lưới thoát nước cho vùng này với chu lỳ ngập lục P = 5 năm. Trận mưa tính toán được xác định như sau: 20/5 = 4 trận. Trong 20 năm có 4 trận mưa lớn hơn trận mưa tính toán. Muốn tìm trên đồ thị ta đếm từ trên xuống nối các điểm thứ 5 lại. Cuối cùng ta được trận mưa tính toán không trùng với trận mưa nào. Trong thực tế ta lấy cường độ mưa của trận mưa đó để tính toán.
Với các điểm nằm trên đường q = f(t) tính toán đều có giá trị q và t, góc hợp bởi đường biểu diễn với trục hoành là a và cắt trục tung tại A. Ta viết được phương trình:
log(q) = lg(A) – tga x log(t)
Đặt tga = n ta có log(q) = log(A) – nlog(t). Trong đó, n được gọi là hệ số khí hậu. Có giá trị A và n, cho t, xác định được q.
i.Cường Độ Mưa Tính Toán
Sau khi xác định được trận mưa tính toán trênđồ thị (dựa vào p) ta phải tính toán cường độ của trận mưa tính toán đó. Tùy thuộc vào tài liệu theo dõi mưa ta có các cách xác định cường độ mưa tính toán như sau:
Khi chỉ có dụng cụ đo mưa đơn giản (biết được lượng mưa trung bình năm)
- Công thức 1: dựa trên khái niệm sức mưa (D)
D = i . t0,5 (9.4)
Trong đó, D là sức mưa, i là cường độ mưa (mm/phút), t là thời gian mưa (phút). D biểu thị đặc tính khí hậu của từng vùng và cũng có thể diễn tả bằng hàm số sau:
Thay giá trị q = 166,7 i = 166,7 . D . t-0,5 vào (9.5) ta có: q = 166,7 . a. H2/3 . P1/3. t-0,5 (9.6)
Đặt m = a. H2/3 gọi là hệ số khí hậu: q = 166,7 . m . P1/3 . t-0,5 Công thức này ít dùng trong thực tế vì sai số đến 30-50%.
- Công thức 2: xuất phát từ phương trình log(q) = log(A) – nlog(t) suy ra q = A/tn (9.7)
Nếu t = 1 phút ® q = A. Như vậy A chính là cường độ mưa khi thời gian mưa là 1 phút
và biểu thị đặc tính khí hậu của mỗi địa phương. A = f(P). Khi P tăng thì A tăng nên đây là hàm đồng biến.
Lập hệ trục bán logarit, đặt A trên trục hoành (theo hệ thập phân). Đặt P trên trục tung (log).
A = f(log(P)) có dạng đường thẳng, cắt trục hoành tại A1 và hợp với trục hoành một góc
b. Đặt tgb = S thì phương trình đường thẳng có dạng:
A = A1 (1 + S/A1 log(P)). Đặt S/A1 = C
A = A1 (1 + C. log (P)). Thay vào phương trình (9.7) ta có:
q = A1 ´ (1+ C ´ log(P))t n
A1 A (l/s.ha)
Nếu cho P = 1 năm, t = 20 phút thì q20 = A1/20n hay A1 = q20.20nq20 là cường độ mưa ở phút thứ 20 của một trận mưa có chu kỳ lập lại là một năm. Thay A1 vào (9.8) ta có:
q 20 n ´ (1 + C ´log(P))
t n
Công thức này được đề nghị dùng để tính toán, trong đó:
- q20 : cường độ mưa ở phút thứ 20 và P = 1 năm tùy thuộc từng vùng (L/ha.s);
- C : hệ số địa lý khí hậu;
- P : là chu kỳ ngập lụt tức thời (năm);
- t : là thời gian mưa tính (phút).
(9.9)
- H : lượng mưa trunb bình năm tính bằng mm, theo dõi 20 năm
- dTB : độ hụt trung bình của độ ẩm không khí trong các tháng có mưa tính bằng mm. Thời gian theo dõi 5 – 10 năm:
(mm)
+ … + hn
- d1, d2,…, dn là độ hụt trung bình hàng tháng của độ ẩm không khí của các tháng có cùng tên (mm);
- h1, h2, h3,…, hn là lượng mưa trung bình của các tháng tương ứng (mm).
Khi có đủ số liệu ghi mưa của máy tự ghi
Thời gian theo dõi từ 15 – 20 năm, xác định cường độ mưa tính toán dùng công thức (9.7). Trị số A, n xác định dựa trên đồ thị theo dõi. Muốn chính xác thì xác định theo phương pháp bình phương cực tiểu:
 |
ålog(qi )ålog(ti )- målog(qi )´ log(ti )
n =
|
målog 2 (t
)- (ålog(ti
))2
ålog(qi )+ n ´ ålog(ti )
m
- m là số điểm xác định;
- qi, ti là cường độ và thời gian mưa tương ứng với điểm xác định. Tương tự ta có thể xác định A, n đối với giá trị P bất kỳ.
Những nghiên cứu gần đây về xác định cường độ mưa ở Việt Nam:
q = A(t + b)n
(9.11)
- q : cường độ mưa (L/ha.s)
- t : thời gian mưa;
- b : hệ số xác định theo đồ thị;
- A, n : xác định theo phương pháp bình phương cực tiểu.
Từ công thức (9.11), ta có thể viết:
 |
[(20 + b)n q 20 (1+ C ´ log(P))]
(9.12)
(1+ b)n
| Địa phương | A | C | m | n |
| Hà Nội | 420 | 0,55 | 0,12 | 0,82 |
| Hải Phòng | 2790 | 0,50 | 0,19 | 0,69 |
| Lào Cai | 2450 | 0,60 | 0,16 | 0,69 |
| Hà Giang | 3150 | 0,60 | 0,18 | 0,73 |
| Hòa Bình | 3780 | 0,55 | 0,16 | 0,76 |
| Thanh Hóa | 2980 | 0,50 | 0,20 | 0,70 |
| Vinh | 3290 | 0,50 | 0,14 | 0,74 |
Đối với vùng không có tài liệu ghi mưa tự động, có thể dùng công thức sau:
q =20 ´ (1+ C ´ log(P)) (9.14)
(t +15´ Pm )n
q20 có thể xác định bằng phương pháp gần đúng:
– q20 = 0,071.H.dTB0,5 sai số 10 – 80%;
– q20 = 0,072.H.dTB0,43 sai số 2 – 40%;
|
– q20 = 58 H 0,49 sai số 1 – 14%
Trong đó, H là hàm lượng mưa trung bình năm (mm), Hng là lượng mưa trung bình ngày của ngày trong mùa mưa (mm), dTB là độ hụt trunh bình của độ ẩm không khí trong các tháng có mưa. Đối với những vùng không có giá trị Hng và dTB có thể tính:
[21,6 ´ H 2 / 3 ´ (1+ 0,55´ log(P))]
(t +15P0,18 )0,73
(9.15)
ii.HỆ SỐ DÒNG CHẢY VÀ KHÁI NHIỆM VỀ SỰ CHẬM CỦA DÒNG CHẢY Hệ Số Dòng Chảy
Lượng mưa rơi xuống có một phần ngấm vào đất, một phần bốc hơi, sau thời gian dài mới mưa thì lượng nước ngầm vào đất đáng kể. Phần còn lại chảy vào hệ thống thoát nước mưa.
Hệ số dòng chảy là tỷ số giữa lượng nước mưa chảy vào hệ thống thoát nước (ký hiệu qc) và lượng nước mưa rơi xuống diện tích thoát nước (ký hiệu qr). Ký hiệu y.
Y = qc(9.16)
|
Y = å ´q 0,2 ´ t 0,1
- q là cường độ mưa (L/ha/s);
- t là thời gian mưa (phút);
(9.17)
- åTB là hệ số lớp phủ tính theo giá trị trung bình cho toàn diện tích thoát nước mưa.
Giá trị của hệ số lớp phủ å và hệ số dòng chảy không đổi y0 được trình bày trong Bảng 9.4.
Bảng 9.4 Hệ số lớp phủ å và hệ số dòng chảy không đổi y0
| Loaïi lôùp phuû | å | y0 |
| Mái nhà và đường rãi nhựa | Bảng 9.5 | 0,95 |
| Đường rãi đá to | 0,224 | 0,60 |
| Đường rãi cuội, sỏi | 0,145 | 0,45 |
| Đường rãi đá dâm không có chất kết dính | 0,125 | 0,40 |
| Đường rãi sỏi nhỏ trong công viên | 0,090 | 0,30 |
| Mặt đất san nền | 0,064 | 0,20 |
| Bãi cỏ | 0,038 | 0,10 |
Bảng 9.5 Giá trị của hệ số lớp phủ å với bề mặt ít thấm nước å = f(A, n)
| A/n | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 1000 | 1200 | 1500 |
| < 0,65 | 0.32 | 0.30 | 0.29 | 0.28 | 0.27 | 0.26 | 0.25 | 0.24 | 0.23 |
| ³ 0,65 | 0.33 | 0.31 | 0.30 | 0.29 | 0.28 | 0.27 | 0.26 | 0.25 | 0.24 |
Tags: bơm thoát nước thải cho mạng thoát nước mưa, máy bơm thoát nước, tính toán thoát nước khu công nghiệp
