Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp quản lý điều hành hệ thống thoát nước sông Tô Lịch - Thành phố Hà Nội

Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp quản lý điều hành hệ thống thoát nước sông Tô Lịch - Thành phố Hà Nội

Bộ giáo dục và đào tạo

Nguyên cứu đề xuất một số giải pháp

quản lý điều hành hệ thống thoát nước

Luận án sẽ được tổ chức bảo vệ tại hồi đồng chám luận án cấp nhà nước tại:

Vào hồi giờ, ngày tháng năm 2005

Có thể tìm hiểu luận án tại:

III Danh mục công trình có liên quan đến luận án của tác giả

1 (1996) ( Thư kí đề tài) Cơ sở khoa học sử dụng hợp lý tài nguyên nước mặt, ứng dụng tin học trong quản lý khai thác tài nguyên nước mặt Hà Nội, Đề tài NCKH TP Hà Nội

2 (1998) (Thành viên tham gia); Đánh giá ô nhiễm môi trường đất trồng trọt và nước tưới nông nghiệp Hà Nội: Thực trạng và giải pháp; Đề tài

6 (2004); Tình hình và nguyên nhân gây úng ngập thành phố Hà Nội; Tạp

chí khí tượng thủy văn; Bộ Tài nguyên Môi trường số tháng 8/2004

7 (2004); Nghiên cứu vai trò của hồ điều tiết trong hệ thống thoát nước

Hà Nội; Tạp chí khoa học kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường; Đại học

Thủy lợi Hà Nội số tháng 8/2004

8 (2004); Xây dựng cơ sở dữ liệu hệ thống thoát nước sông Tô Lịch thành phố Hà Nội; Tạp chí khoa học kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường; Đại

học Thủy lợi Hà Nội số tháng 8/2004

Mở đầu

1 - Tính cấp thiết của luận án

2 - Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án

3 - Phạm vi, đối tượng nghiên cứu của luận án:

4 - Phương pháp nghiên cứu

5 - ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Chương 1: Tổng quan về quản lý điều hành hệ thống

thoát nước đô thị

1.1 - Vấn đề tiêu thoát nước đô thị Thế giới

1.2 - Tiêu thoát nước đô thị Việt Nam

1.3 - Thực trạng thoát nước ở Hà Nội và những vấn đề cần giải quyết 1.3.1 - Đặc điểm tự nhiên, kinh tế - xã hội của Hà Nội

1.3.2 - Đặc điểm khí tượng - thủy văn

1.3.3 - Hệ thống thoát nước sông Tô Lịch

1.3.4 - úng ngập trong hệ thống tiêu sông Tô Lịch

1.4 - Bài toán QLĐH hệ thống thoát nước sông Tô Lịch

1.4.1 - Quan điểm xây dựng bài toán QLĐH tiêu thoát nước hệ thống sông Tô Lịch thành phố Hà Nội

1.4.2 - Mô tả bài toán QLĐH hệ thống thoát nước sông Tô Lịch

Chương 2: ứng dụng mô hình toán dòng chảy cho hệ thống

thoát nước sông tô lịch

2.1 - Mô hình toán dòng chảy đô thị

2.2 - Giới thiệu mô hình Mô hình SWMM (Storm Water Management Model)

2.3 - Xác định bộ thông số mô hình SWMM đối với lưu vực sông Tô Lịch Chương 3: Xây dựng cơ sở dữ liệu và phần mềm phục vụ

QLĐH hệ thống thoát nước sông Tô Lịch - hà nội

3.1 - Hệ thống thông tin địa lý trong QLĐH hệ thống thoát nước đô thị 3.2 - ứng dụng CNTT trong quản lý thoát nước sông Tô Lịch

3.3 - Kết quả xây dựng cơ sở dữ liệu và phần mềm:

Chương 4: đề xuất một số Giải pháp QLĐH hệ thống thoát

4.2 - Tính toán dòng chảy theo các phương án trạng thái

4.3 - Diễn biến mực nước trên hệ thống thoát nước sông Tô Lịch

4.4 - Đề xuất một số giải pháp QLĐH thoát nước hệ thống sông Tô Lịch

Mở đầu

1 - Tính cấp thiết của luận án

Hà Nội nằm bên sông Hồng trên vùng đất trũng, độ dốc ít, mức độ đô thị hóa tăng nhanh, nhiều cánh đồng, ao, hồ, kênh, mương, sông ngòi đã bị san lấp để xây dựng các công trình do đó công tác thoát nước của thành phố gặp nhiều khó khăn Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, Hà Nội đang được xây dựng, cải tạo và phát triển nhanh chóng Song việc xây dựng cơ sở hạ tầng, quản lí điều hành (QLĐH) không theo kịp với tốc độ phát triển đô thị, trong

đó có vấn đề tiêu nước Với đặc điểm, vị trí và vai trò của Thủ đô, Hà Nội

đã và đang cải tạo, xây dựng một hệ thống thoát nước đồng bộ để phòng, chống úng ngập và cải thiện môi trường cho Thủ đô nhằm góp phần xây dựng một Thủ đô hòa bình, xanh và đẹp Nhưng, đến nay nhiều trận mưa chưa đạt thiết kế vẫn gây ngập úng trên nhiều điểm của thành phố làm ảnh hưởng đến môi trường, đời sống sinh họat và sản xuất của nhân dân Như vậy, đã xuất hiện một mâu thuẫn là hệ thống công trình tiêu thoát nước được đầu tư hàng ngàn tỷ đồng tương đối đồng bộ, có vai trò quan trọng đảm bảo chống úng ngập cho Thủ đô, nhưng công tác QLĐH thoát nước vẫn chưa được đầu tư

đúng mức, còn áp dụng phương pháp thủ công chưa đáp ứng yêu cầu Với mục tiêu, nội dung và phát huy hiệu quả của hệ thống hạ tầng tiêu thoát nước của Thủ đô, cần thiết phải có giải pháp QLĐH hệ thống thoát nước sông Tô Lịch dựa trên công nghệ hiện đại

2 - Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu xác định cơ sở khoa học và thực tiễn cho giải pháp QLĐH tiêu thoát nước theo quan điểm hệ thống dựa trên phương pháp và công nghệ hiện đại nhằm phát huy hiệu quả của hệ thống thoát nước sông Tô Lịch để chủ động phòng và chống úng ngập cho Hà Nội

Để đạt mục tiêu trên, luận án giải quyết các nội dung sau:

1 Nghiên cứu hiện trạng thoát nuớc hệ thống sông Tô Lịch, trên cơ sở

đó xây dựng bài toán “đề xuất một số giải pháp QLĐH hệ thống thoát nước sông Tô Lịch”

2 ứng dụng phương pháp mô hình toán và CNTT để thiết lập bộ công

cụ hiện đại nhằm nghiên cứu, tính toán diễn biến dòng chảy theo không gian, thời gian với các phương án trạng thái khác nhau, tổ chức quản lí và khai thác thông tin phục vụ QLĐH hệ thống thoát nước sông Tô Lịch

3 Đề xuất một số giải pháp QLĐH hệ thống thoát nước sông Tô Lịch, thành phố Hà Nội trên cơ sở các kết quả nghiên cứu, quản lí thông tin và tính toán dòng chảy trên hệ thống thoát nước sông Tô Lịch

3 - Phạm vi, đối tượng nghiên cứu của luận án:

Đối tượng nghiên cứu:

- Không xét đến nước thải hay chất lượng nước

- Không đi sâu giải quyết các nội dung cụ thể như bảo trì, bảo dưỡng, tổ chức, vận hành thoát nước cụ thể từng trận mưa

4 - Phương pháp nghiên cứu

1 Phương pháp thống kê sác xuất và tổng hợp địa lí sử dụng trong việc

đánh giá đặc điểm khí hậu, thủy văn hệ thống sông Tô Lịch

2 Phương pháp mô hình toán thủy văn đô thị sử dụng để mô phỏng quá trình dòng chảy trên hệ thống sông Tô Lịch

3 Phương pháp phân tích hệ thống sử dụng để phân tích, đánh giá vai trò và mối quan hệ giữa các thành phần trong hệ thống thoát nước

4 Phương pháp hệ thông tin địa lí (GIS) sử dụng để tổ chức thu thập, lưu trữ, xử lí và quản lí các thông tin về hệ thống thoát nước

5 Phương pháp lập trình hướng đối tượng sử dụng để xây dựng phần mềm ứng dụng

5 - ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

í nghĩa khoa học: Luận án đã xác định cơ sở khoa học xây dựng một

giải pháp QLĐH hệ thống thoát nước sông Tô Lịch trên sử dụng CNTT và mô hình toán Cơ sở khoa học này có thể được vận dụng để thiết lập giải pháp QLĐH thoát nước cho các đô thị có điều kiên tương tự

í nghĩa thực tiễn: Luận án đề xuất một giải pháp mới mang tính hệ

thống để quản lí thông tin và điều hành thoát nước một cách hợp lý, chủ động dần dần tiến tới tự động hóa công tác QLĐH hệ thống góp phần giảm nhẹ lao

động thủ công, làm chủ trong các tình huống phòng và chống úng ngập,

đồng thời nâng cao hiệu quả của hệ thống thoát nước sông Tô Lịch

6 - Bố cục của luận án:

Luận án gồm 147 trang thuyết minh, () bảng biểu, () sơ đồ và hình vẽ, () tài liệu tham khảo, trang phụ lục Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận án được trình bày trong 4 chương:

1.1 - Vấn đề tiêu thoát nước đô thị Thế giới

Nghiên cứu xác định định lượng dòng chảy gây ngập úng, gây ô nhiễm môi trường và điều khiển hệ thống thoát nước tổng thể là hai nội dung cơ bản

trong QLĐH hệ thống thoát nước của đô thị, chúng đã được nhiều nước trên Thế giới đặt ra từ lâu và đang có bước tiến bộ vượt bậc cả về chất và lượng Phương pháp mô hình và CNTT là hai công cụ quan trọng trong quá trình quản lí, điều hành hệ thống thoát nước đô thị phức tạp, chúng đã được sử dụng rộng rãi trong việc qui hoạch, xây dựng, QLĐH và đã góp phần phát huy hiệu quả của hệ thống thoát nuớc đô thị

1.2 - Tiêu thoát nước đô thị Việt Nam

Đa số các đô thị Việt Nam được hình thành tự phát, chủ yếu từ quá trình

đô thị hoá làng- xã Quá trình đô thị hoá tự phát đã tạo ra một hệ thống hạ tầng yếu kém, đặc biệt là hệ thống thoát nước Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển kinh tế xã hội của đất nước, quá trình đô thị hóa phát triển nhanh chóng trên toàn quốc Nhiều đô thị mới được hình thành và phát triển, nhiều đô thị cũ được xây dựng, cải tạo và phát triển cả chiều rộng và chiều sâu Nhưng xây dựng hạ tầng không theo kịp tốc độ đô thị hóa Hệ thống cống rãnh thoát nước rất thiếu, thường chỉ có khả năng thoát nước với các trận mưa

có tần suất xuất hiện nhỏ hơn hay bằng 1 năm Nhiều đô thị hầu như chưa có

hệ thống thoát nước nhất là các tỉnh vừa chia tách như đô thị Tuy Hoà tỉnh Phú Yên, hệ thống thoát nước mới chỉ bảo đảm phục vụ 5% diện tích đô thị; Qui Nhơn 10%; Ban Mê Thuột 15%; Cao Bằng 20% Do đó, các thành phố, thị xã của cả nước hầu hết đều bị úng ngập trong mùa mưa Với trận mưa khoảng

100 mm/ngày, mức độ ngập úng thường xuyên tại một số đô thị như sau: thành phố Ban Mê Thuột có 60% đường phố bị ngập Các đô thị lớn như Hà Nội ngập trên 50 điểm, thành phố Hồ Chí Minh ngập trên 100 điểm Các đô thị đồng bằng đều bị ngập lụt trung bình 1 ữ2 lần/năm với mức ngập thường từ 0,5m ữ2m Thời gian ngập úng từ 2 h đến 2 ngày

Hiện nay, các đô thị Việt Nam đều thành lập tổ chức để QLĐH hệ thống thoát nước nhằm phòng và chống úng ngập cho đô thị nhưng còn chưa

đáp ứng nhu cầu như: quản lí điều hành chủ yếu dựa vào kinh nghiệm, thủ công lạc hậu Tổ chức quản lí thông tin chủ yếu bằng giấy tờ, lưu trữ tản mạn,

chồng chéo, cát cứ Liên lạc để điều hành tiêu thoát nước chủ yếu bằng văn bản, điện thoại Chưa có đô thị nào trên toàn quốc có giải pháp QLĐH hệ thống thoát nước một cách đồng bộ và hiện đại Có nhiều nguyên nhân trong

đó có một nguyên nhân quan trọng là QLĐH còn lạc hậu chưa đáp ứng yêu cầu Với tốc độ đô thị hóa ngày càng cao thì công tác QLĐH hệ thống thoát nước như trên càng không thể đáp ứng được yêu cầu cả hiện tại lẫn tương lai nếu không có giải pháp QLĐH bằng các phương pháp và công cụ hiện đại

1.3 - Thực trạng thoát nước ở Hà Nội và những vấn đề cần giải quyết 1.3.1 - Đặc điểm tự nhiên, kinh tế - xã hội của Hà Nội

Hà Nội thuộc địa phận đồng bằng châu thổ sông Hồng cách biển khoảng 100 Km, diện tích tự nhiên: 918, 46 Km2 Địa hình Hà Nội bao gồm

địa hình đồi và núi thấp, đồng bằng - gò đồi và đồng bằng, có hướng nghiêng

từ Bắc xuống Nam với độ dốc trung bình 0,003 Đồng bằng chiếm 80% diện tích thành phố

Hệ thống sông ngòi Hà Nội thuộc hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình, phân bố không đồng đều giữa các vùng, mật độ thay đổi khá lớn từ 0,1 - 2,5 km/km2 (chỉ kể các sông tự nhiên có dòng chảy tự nhiên) Các sông lớn chảy qua và hình thành trên địa phận thành phố Hà Nội gồm có: sông Hồng, sông Đuống, sông Cà Lồ, sông Nhuệ, sông Cầu, sông Ngũ Huyện Khê, sông Cầu Bây Các sông lớn, nhỏ đều có độ dốc lòng sông bé, độ uốn khúc lớn 1,2 - 2,9 Chế độ thủy văn phức tạp Khả năng tiêu thoát nước rất kém, nhất là khi mưa lớn và mực nước trên hệ thống các sông đang ở mức cao

Hà Nội là trung tâm đầu não của cả nước về chính trị, văn hóa, khoa học công nghệ, là trung tâm lớn của cả nuớc về kinh tế, cùng với phát triển kinh tế xã hội quá trình đô thị hóa diễn ra rất nhanh

Thành phố Hà Nội chia 9 quận, 5 huyện có 3 triệu dân sinh sống với nền kinh tế đa dạng Nhịp độ tăng trưởng kinh tế luôn luôn đạt ở mức cao so với cả nước (11-14%) GDP bình quân đầu người từng bước được tăng lên, đến nay đã đạt khoảng 1000$/người Cơ cấu kinh tế có sự thay đổi về chất, tỷ

14600 ha tới năm 2020 là 25000 ha Diện tích đô thị gấp 20 lần so với năm

1954 Nội thành cũ được mở rộng, các đô thị mới được xây dựng, hình thành các chùm đô thị mới Điều đó đỏi hỏi cơ sở hạ tầng thoát nước cũng như công tác QLĐH tiêu thoát nước phải phát triển tương ứng để đảm bảo chống úng ngập, bảo về môi trường

1.3.2 - Đặc điểm khí tượng - thủy văn

Hà Nội nằm trong vùng mưa trung bình của đồng bằng Bắc Bộ với lượng mưa năm trung bình 1651 mm (trạm Láng giai đoạn 1960 - 2000) Mùa mưa: từ tháng V đến tháng X với lượng mưa trung bình chiếm tới trên 82,9 % lượng mưa năm Mùa ít mưa kéo dài từ tháng XI đến tháng IV năm sau, với lượng mưa trung bình chiếm 17,1% lượng mưa năm Số ngày mưa trong năm trung bình trạm Láng là 154,5 ngày Trong đó, số ngày mưa lớn bắt đầu gây ngập úng cho Hà Nội (lượng mưa > 50mm/ngày) đạt 7,9 ngày/năm, xảy ra vào các tháng IV đến tháng XI hàng năm Chủ yếu xảy ra vào tháng VII, VIII, IX với tỷ lệ 58%

Mưa là nhân tố có ảnh hưởng quyết định đến tình hình úng ngập của Hà Nội, đặc biệt là các trận mưa thời đoạn ngắn, cường độ lớn Đối với những trận mưa lớn thì thường mưa trên diện rộng, biến động theo không gian ít, nhưng biến động lớn theo thời gian Vì vậy luận án tập trung chủ yếu phân tích, tính toán mưa thiết kế theo thời đoạn ngắn tại trạm Láng - Hà Nội

Mưa thời đoạn ngắn với cường độ lớn, tập trung trong thời gian ngắn thường gây hậu quả ngập úng trong nội thành Mưa trận tại Hà Nội rất tập trung, khoảng 30% thời gian ở khu vực đỉnh mưa chiếm tới 80 - 90% tổng lượng mưa cả trận

Nghiên cúu, phân tích mưa 1, 2, 3 ngày lớn nhất liên tục (từ tháng V

đến tháng X giai đoạn 1972 - 2001, trạm Láng - Hà Nội) cho thấy:

Lượng mưa lớn, gây úng ngập thành phố chủ yếu do bão và áp thấp nhiệt đới Khả năng xảy ra các trận mưa lớn là ngẫu nhiên, hoàn toàn có thể xuất hiện ở đầu, giữa hoặc cuối mùa mưa

* Tính toán mưa tiêu thiết kế

Qua nghiên cứu mưa 3 ngày lớn nhất cho thấy mưa 2 ngày lớn nhất chiếm tỷ trọng 90,7% lượng mưa của toàn trận mưa Vì vậy, luận án lựa chọn lượng mưa 2 ngày để làm trận mưa thiết kế tính toán tiêu thoát nước cho hệ thống sông Tô Lịch Kết qủa tính toán tần suất mưa 2 ngày lớn nhất trạm Láng

Mô hình mưa thiết kế: Mưa trận Hà Nội có nhiều dạng khác nhau:

Dạng mưa một đỉnh, dạng mưa hai đỉnh, dạng mưa đều

Mô hình mưa hai đỉnh và mưa một đỉnh sẽ được ứng dụng vào mô hình

để tính toán dòng chảy vì đây là mô hình mưa bất lợi đối với hệ thống thoát nước do cường độ mưa tập trung có thể vượt quá khả năng thoát nước của hệ thống, hoặc do thời gian mưa lớn kéo dài

Trong thực tế đã xảy ra hai trận mưa điển hình gây úng ngập lớn trong thành phố là: Trận mưa một đỉnh từ ngày 10/11/1984 đến ngày 11/11/1984 với X= 577 mm/2ngày và trận mưa hai đỉnh xuất hiện ngày 11/6/1989 đến 12/6/1989 với X=286,7 mm/2ngày Thu phóng trận mưa hai ngày với các tần suất khác nhau, với dạng mưa điển hình: loại 1 đỉnh, loại 2 đỉnh ta sẽ được cấc trận mưa hai ngày lớn nhất với các tần suất khác nhau

Nghiên cứu mưa thời đoạn ngắn tại trạm khí tượng Láng - Hà Nội, có thể rút ra một số nhận xét làm cơ sở khoa học để phục vụ công tác QLĐH tiêu thoát nước hệ thống sông Tô Lịch như sau:

+ Căn cứ vào dự báo thời tiết nếu có mưa lớn có thể dự báo khả năng gây úng ngập thành phố trên cơ sở đó đề ra kế hoạch chống úng ngập

+ Mưa trận Hà Nội rất tập trung, với trận mưa 3 ngày lớn nhất thì lượng mưa hai ngày lớn nhất chiếm tới 90,7% lượng mưa toàn trận Vì vậy, khi có giải pháp chống được úng ngập với trận mưa hai ngày thì có thể chống được các trận mưa dài ngày hơn

+ Với cường độ mưa lớn và khả năng thoát nước hạn chế của hệ thống công trình trên lưu vực sông Tô Lịch thì với nhiều trận mưa chưa đạt thiết kế cũng có khả năng bị ngập úng khi cường độ mưa vượt quá khả năng thoát nước của hệ thống công trình Nhưng chúng thường chỉ gây ngập úng cục bộ với thời gian ngắn

+ Trong mùa mưa, các trận mưa gây ngập úng có thể xuất hiện bất cứ thời gian nào trong mùa mưa Cần thiết xây dựng giải pháp chủ động phòng chống úng ngập trong toàn bộ thời gian mùa mưa

b - Đặc điểm thuỷ văn

Sự hình thành và diễn biễn dòng chảy của hệ thống sông Tô Lịch phụ thuộc chủ yếu vào chế độ mưa, nước thải (do sinh hoạt và sản xuất) trên lưu vực Do lưu vực hệ thống sông Tô Lịch nằm kẹp giữa sông Hồng và sông Nhuệ nên quá trình tiêu thoát nước trên hệ thống sông Tô Lịch chủ yếu theo hai hướng là thoát nước ra sông Nhuệ và sông Hồng Qua nghiên cứu thời gian duy trì lũ của hai sông và từ các kết quả phân tích mối quan hệ giữa sông Hồng và sông Nhuệ có thể rút ra một số nhận xét:

- Khả năng xảy ra tổ hợp bất lợi nhất khi đỉnh lũ sông Hồng tại Hà Nội gặp đỉnh lũ sông Nhuệ tại Hà Đông là ngẫu nhiên, với tần suất không lớn

- Thời gian duy trì mực nước cao trên sông Hồng (độ cao mực nước >

độ cao bề mặt thành phố) thường kéo dài suốt mùa lũ và trùng với mùa mưa

gây úng ngập cho thành phố, nên giải pháp tiêu bằng bơm từ sông Tô Lịch ra sông Hồng mặc dù là giải pháp cơ bản chủ động phòng, chống úng ngập cho thành phố nhưng trong thời kỳ này luôn luôn đứng trước một đe dọa về mức

an toàn vì có thể xảy ra bất kỳ sự cố nào của hệ thống đê qua Hà Nội

- Một năm có 95 ngày mực nước tại đập Thanh Liệt gần bằng 3,5 m đây

là khoảng thời gian đập Thanh Liệt đóng lại Như vậy, khả năng thoát nước tự chảy của sông Tô Lịch qua hệ thống sông Nhuệ vẫn còn bỏ ngỏ nhiều khả năng tiêu tự chảy ra sông Nhuệ góp phần giảm bớt chi phí bơm tại Yên Sở

Để phục vụ tính toán trong giai đoạn qui hoạch tổng thể thoát nước Hà Nội, lưu vực hệ thống sông Tô Lịch được chia làm 28 lưu vực bộ phậncăn cứ

điều kiện địa hình, hướng thoát nước, tỷ lệ diện tích thấm và khồng thấm nước

* Địa hình lưu vực hệ thống sông Tô Lịch

Địa hình tự nhiên lưu vực hệ thống sông Tô lịch khu vực nội thành được chia làm ba bậc địa hình chính: Bề mặt có độ cao lớn hơn 8 m chiếm 10%; bề mặt có độ cao từ 5 - 8 m 50%; bề mặt cao dưới 5 m chiếm 40% diện tích thành phố

b - Hệ thống công trình tiêu thoát nước lưu vực sông Tô Lịch

Hệ thống thoát nước Hà Nội được hình thành cơ bản từ năm 1939, bao gồm các diện tích tập trung nước, các rãnh thu nước dọc phố, ga thu nước, các tuyến cống, hồ, đầm, ao, kênh, mương, sông ngòi, đập tràn, cửa xả, hệ thống

bơm tiêu Nước mưa, nước thải tập trung vào hệ thống cống, rãnh được lắp đặt chủ động theo các dường phố, ngõ, xóm (mạng lưới cấp 2,3) sau đó tập trung vào các kênh, mương, sông nội tại của thành phố (mạng lưới cấp 1) và cuối cùng xả ra sông lớn

Từ năm 1954 đến nay nhiều công trình trong hệ thống thoát nước

đã được cải tạo và xây dựng mới Các lưu vực thoát nước chính cũng được kéo dài ra và mở rộng theo 4 trục tiêu chính: sông Kim Ngưu, sông Lừ, sông Sét, sông Tô Lịch

* Hệ thống lòng dẫn

- Sông tiêu thoát nước

Hệ thống sông Tô Lịch đóng vai trò quan trọng trong việc thoát nước của thành phố Hà Nội Hiện nay, các dòng sông này đã được cải tạo để đạt tiêu chuẩn thiết kế, cải thiện chế độ dòng chảy và cảnh quan đô thị môi trường nhằm giảm thiểu khả năng ngập lụt với chu kỳ lặp lại 10 năm

Sông Tô Lịch: có diện tích lưu vực 20 Km2, dài 13,5 Km, sông

đã được cải tạo, mặt cắt sông hình thang, rộng trung bình từ 20 - 45 m, sâu 2 -

3 m, hai bờ kè đá Có 16 cầu, đường bắc qua sông Có khả năng thoát nước với lưu lượng 30 m3/s

Sông Kim Ngưu: có diện tích lưu vực 17,3Km2, dài 11,9 km, sông

đã được cải tạo lát đá hai bờ sông, mặt cắt rộng trung bình 25 - 30 m, sâu 2 -

4 m, có 19 cầu đường bắc qua sông, có khả năng thoát nước với lưu lượng 15

m3/s

Sông Sét: có diện tích lưu vực 7,1 Km2, dài 6,7 km, đã cải tạo lát đá hai

bờ sông, mặt cắt rộng trung bình 3 - 4 m, có 2 cầu, đường bắc qua sông, có khả năng thoát nước với lưu lượng 8 m3/s

Sông Lừ: có diện tích lưu vực 10,2 Km2, chiều dài 6,8 km đã cải tạo lát

đá hai bờ sông, sâu trung bình 2 - 3 m, có 5 cầu đường bắc qua sông, có khả năng thoát nước với lưu lượng 6m3/s

- Hệ thống cống thoát nước

Hệ thống cống hầu hết được xây dựng khá lâu, phần lớn nằm trong nội thành cũ (80%) trong đó khoảng một nửa xây dựng trước năm 1954, hiện đã bị xuống cấp nghiêm trọng, không đáp ứng yêu cầu thoát nước

Tổng số chiều dài cống là 318km, 6002 ga thu nước và 6574 ga thăm

Tỷ lệ giữa các tuyến cống với chiều dài đường phố còn thấp, vào khoảng 64%

và chủ yếu tập trung ở khu vục nội thành cũ

- Hệ thống mương thoát nước

Tổng chiều dài các mương thoát nước hiện nay của thành phố Hà nội là

31 km Các mương hở này nối với hệ thống cống ngầm và các ao hồ tạo thành mạng lưới thoát nước hình rẻ quạt

- Các cửa điều tiết trên hệ thống sông Tô Lịch

Cửa điều tiết Hồ Tây A: có lưu lượng xả thiết kế Q = 12 m3/s

Cửa điều tiết Hồ Tây B : có lưu lượng xả thiết kế Q = 3,0 m3/s

Cửa xả Nghĩa Đô : có lưu lượng xả thiết kế Q=9,0 m3/s

Cửa điều tiết Lừ-Sét : có lưu lượng xả thiết kế Q = 15 m3/s

Cửa xả Thanh Liệt : có lưu lượng xả thiết kế Q = 45 m3/s

Cửa xả Văn Điển : có lưu lượng xả thiết kế Q = 5,0 m3/s

Cửa xả Đồng Chì : có lưu lượng xả thiết kế Q = 5.0 m3/s

Mỗi đập tràn, cửa xả trong hệ thống đều có tác dụng riêng, nhìn chung mục đích để điều khiển dòng chảy theo mục tiêu của người sử dụng là phục vụ phòng chống úng ngập và thủy lợi trên hệ thống

- Hệ thống hồ điều hòa

Lưu vực sông Tô Lịch có 70 hồ tự nhiên và nhân tạo với diện tích mặt

hồ đến 1178,8 ha, chiếm 15,2% (11,788km2/77,5km2) Nếu tính cả diện tích các ao nuôi cá của khu vực Yên Sở (830,4 ha) thì tỷ lệ hồ chiếm tới 25,9% Các hồ này phân bố không đồng đều trên lưu vực nhưng đóng vai trò điều tiết, cải thiện vi khí hậu, cảnh quan trong đô thị và góp phần làm sạch một phần nước thải đô thị

- Công trình đầu mối trạm bơm Yên Sở

Đây là một tổ hợp công trình bao gồm kênh dẫn vào, ra, hồ điều hòa và trạm bơm

Hồ điều hoà: có diện tích hồ là 130 ha, chiếm diện tích đất 203 ha

Mực nước thấp nhất 1,5m, mực nước cao nhất 4,5m; mực nước bình thường 3,5m Cao độ bờ hồ 5,1m Cao độ lòng hồ 0,5m

c - Hiện trạng quản lí vận hành hệ thống thoát nước sông Tô Lịch

Công ty thoát nước Hà Nội được giao nhiệm vụ đảm bảo việc thoát nước chống úng ngập và ô nhiễm môi trường do nước thải gây ra trên địa bàn thành phố Công tác quản lí điều hành sản xuất: trực tại những điểm cần thiết trong mùa mưa bão Bố trí trang thiết bị cần thiết giám sát theo dõi và xử lí các điểm úng ngập ngoài hiện trường Hình thức thông tin liên lạc, điều hành sản xuất: Chủ yếu thông qua điện thoại, văn bản và trực tiếp Để vận hành trạm bơm Yên Sở, hàng năm Công ty thoát nước Hà Nội ban hành qui trình vận hành trạm bơm Tuy nhiên qui trình này tập trung chủ yếu qui định chế độ vận hành bơm tại công trình đầu mối trạm bơm Yên Sở

1.3.4 - úng ngập trong hệ thống tiêu sông Tô Lịch

a - Tình hình úng ngập

* Trước năm 2000

Công suất thoát nước của hệ thống cống trong thành phố trước năm

2000 chỉ có khả năng tiêu thoát nước của các trận mưa có tần suất lặp lại 1,0 - 1,2 năm Do vậy, hiện trạng ngập úng và đọng nước xảy ra hàng năm ở khu vực này rất nghiêm trọng nhất là khu phố cổ Nguyên nhân do thiếu cống và

sự xuống cấp của hệ thống thoát nước hiện có

Khi có mưa khoảng 100 mm thì Hà Nội đã có 70 - 80 điểm bị ngập, trong đó có 24 điểm bị ngập trầm trọng Thời gian ngập thường từ 2 - 24 h hoặc từ 2 - 3 ngày thậm chí có điểm bị ngập 6 - 7 ngày Độ sâu ngập trung bình từ 0,6 - 0,8 m

* Từ năm 2000 đến nay:

Thành phố Hà Nội đã đầu tư xây dựng và cải tạo hệ thống thoát nước giai đoạn I với tổng mức đầu tư 250 triệu USD Các công trình được xây dựng, cải tạo được đưa vào sử dụng đã phát huy hiệu quả, giảm mức độ và thời gian úng ngập

Hiện nay, với trận mưa khoảng 100 mm, số điểm ngập là 40 -50 điểm, thời gian ngập từ 1h đến 24h, độ sâu ngập từ 0,10 đến 0,5 m Tuy nhiên, mức

độ ngập úng đã giảm về thời gian, diện tích, độ sâu ngập

b - Nguyên nhân gây úng ngập

Qua thực tế quan trắc hiện tượng úng ngập của Hà Nội cho thấy: Mặc

dù hệ thống sông được thiết kế cải tạo để thoát nước với trận mưa thiết kế 10%,

hệ thống cống được cải tạo với khả năng tiêu thoát nước với trận mưa thiết kế 20%, trạm bơm Yên Sở được xây dựng có khả năng tiêu thoát với công suất 45 m3/s, nhưng vẫn đang tồn tại 3 dạng úng ngập: úng ngập cục bộ, úng ngập khu vực, úng ngập vùng Mỗi dạng úng ngập có những nguyên nhân với vai trò khác nhau, ảnh hưởng khác nhau Có thể chia làm 2 nhóm nguyên nhân chủ quan và khách quan

* Nguyên nhân khách quan

- Nguyên nhân do điều kiện địa lí, địa hình, thủy văn của hệ thống

- Nguyên nhân do khí hậu, thời tiết (mưa)

* Nguyên nhân chủ quan:

- Quá trình xây dựng và phát triển đô thị

- Công tác quản lí, điều hành hệ thống thoát nước

1.4 - Bài toán quản lí điều hành hệ thống thoát nước sông Tô Lịch

1.4.1 - Quan điểm xây dựng bài toán QLĐH tiêu thoát nước hệ thống sông Tô Lịch thành phố Hà Nội

a - Quan điểm hệ thống:

b - Quan điểm ứng dụng công nghệ hiện đại trong QLĐH

c - Quan điểm thực tiễn

d - Quan điểm kế thừa

e - Quan điểm QLĐH có trọng tâm và hợp lí

f - Quan điểm hệ thống mở và điển hình

1.4.2 - Mô tả bài toán QLĐH hệ thống thoát nước sông Tô Lịch

a - Các giai đoạn cơ bản của hiện tượng ứng ngập trên hệ thống sông Tô Lịch

1 Mưa rơi trên lưu vực sông Tô Lịch hình thành dòng chảy, lấp đầy ô trũng, chảy tràn trên bề mặt theo các cống, ga tập trung về các sông Tô Lịch,

Lừ, Sét, Kim Ngưu hình thành lũ trên hệ thống

2 Các hồ điều hòa tích nước điều tiết lũ trên hệ thống

3 Các đập tràn cửa xả được mở để tiêu nước ra khỏi hệ thống

4 Trong quá trình lũ có thể xảy ra hiện tượng nước ứ đọng hoặc tràn bờ gây úng ngập trên lưu vực hệ thống sông Tô Lịch

5 Khi mực nước tại đập Thanh Liệt bằng 3,5 m ( tương ứng với mực nước tại Yên Sở là 3,2m) thì toàn bộ hệ thống đập tràn cửa xả đóng lại, nước tập trung về hệ thống hồ điều hòa và trạm bơm Yên Sở để bơm tiêu nước ra sông Hồng

6 Hệ thống máy bơm bơm nước ra sông Hồng cho đến khi mực nước trên kênh dẫn tại Yên Sở là H= 3,0 m và trong hồ Yên Sở mực nước là H=1,5m

b - Quá trình cơ bản của bài toán QLĐH tiêu thoát nước trên hệ thống sông Tô Lịch

Bài toán QLĐH tiêu thoát nước hệ thống sông Tô Lịch bao gồm các quá trình thành phần cơ bản sau:

1 Quá trình tổ chức số hóa và quản lí thông tin dữ liệu có liên quan đến

hệ thống thoát nước sông Tô Lịch trên hệ thống máy tính

2 Quá trình thiết lập các phương án trạng thái và tính toán dòng chảy dưới ảnh hưởng của nhân tố đầu vào là mưa, ảnh hưởng của hệ thống công trình (hồ điều hòa), ảnh hưởng của nhân tố đầu ra (bơm)

3 Quá trình phân tích diễn biến lũ trên hệ thống theo các phương án trạng thái có thể xảy ra trong thực tế

4 Quá trình nghiên cứu đề xuất giải pháp quản lí diều hành hệ thống thoát nước sông Tô Lịch

Các quá trình cơ bản bài toán QLĐH trong sơ đồ bài toán thể hiện ở 4 khối cơ bản: Khối quản lí thông tin, khối phương án trạng thái, khối tính toán khối phân tích, khối giải pháp quản lí điều hành (hình 1.1) Nội dung từng khối được thể hiện trong sơ đồ bài toán

c - Sơ đồ bài toán:

Sơ đồ bài toán trong hình 1.5 được thể hiện như sau:

- Khối quản lí thông tin: Đầu vào của khối là các thông tin về hệ thống

thoát nước sông Tô Lịch Đầu ra của khối là các thông tin về hệ thống thoát nước đã được tổ chức dưới dạng CSDL và là đầu vào của khối tính toán hoặc

đầu vào của khối trạng thái hoặc đầu vào của khối đề xuất giải pháp QLĐH Nội dung chi tiết của khối được trình bày trong chương 3

- Khối phương án trạng thái: Đầu vào của khối là tiếp nhận thông tin

từ đầu ra của khối quản lí thông tin hoặc được nhập trực tiếp theo yêu cầu

người sử dụng Đầu ra của khối là các phương án trạng thái đã được kiểm tra tính hợp lí và logic Nội dung chi tiết của khối được trình bày trong chương 4

- Khối tính toán: Đầu vào của khối tính toán chính được tạo ra từ khối

phương án trạng thái và từ khối quản lí thông tin Đầu ra của khối tính toán là quá trình mực nước trên hệ thống với các phương án trạng thái khác nhau Nội dung chi tiết của khối tính toán được trình bày chi tiết trong chương 2 và chương 4

- Khối phân tích: Đầu vào của khối là kết quả của tập đầu ra do khối

tính toán tạo ra Đầu ra của khối phân tích là diễn biến của mực nước trên hệ thống sông với các phương án trạng thái khác nhau Nội dung chi tiết được trình bày trong chương 4

- Khối giải pháp QLĐH: Đầu vào của khối là kết quả tính toán và phân

tích diễn biến mực nước dưới tác động của các kịch bản mưa và các biến điều khiển trên hệ thống sông Tô Lịch Đồng thời đầu vào của khối cũng tiếp nhận thông tin từ CSDL của hệ thống Đầu ra của khối là các giải pháp QLĐH hệ thống thoát nước sông Tô Lịch Chi tiết được trình bày trong chương 4

Sơ đồ tổng quát bài toán được thể hiện trong hình 1.1

Kết luận chương 1:

1 Trên Thế giới, vấn đề thủy văn đô thị nói chung và thoát nước đô thị nói riêng được quan tâm nghiên cứu đồng bộ từ qui hoạch đến thiết kế, xây dựng và quản lí vận hành Nhiều hệ thống được xây dựng từ lâu nhưng vẫn họat động hiệu quả Luôn cập nhật, ứng dụng các công nghệ hiện đại vào trong công tác QLĐH hệ thống thoát nước

2 Các đô thị Việt Nam chủ yếu hình thành từ làng xã, hạ tầng thoát nước xây dựng manh mún, Ngày nay tốc độ đô thị hóa phát triển nhanh, hạ tầng thoát nước không theo kịp tốc độ đô thị hóa Đô thị thường xuyên bị ngập úng trong mùa mưa QLĐH hệ thống thoát nước chủ yếu thực hiện theo kinh nghiệm , thủ công và lạc hậu, chưa có đô thị nào ứng dụng công nghệ hiện đại

4 Nghiên cứu và xác định được tình hình và nguyên nhân gây ngập úng thành phố Hà Nội, từ đó thấy rằng một trong những nguyên nhân làm cho hệ thống thoát nước sông Tô Lịch chưa phát huy hết hiệu quả là công tác QLĐH, trên cơ sở đó xác định vấn đề nghiên cứu của luận án

5 Nghiên cứu giải pháp QLĐH hệ thống thoát nước sông Tô Lịch là một nhu cầu cần thiết về khoa học và thực tế không những chỉ cho hệ thống thoát nước Hà Nội mà còn là kinh nghiệm cho các đô thị khác

6 Luận án thiết lập được sơ đồ mô phỏng bài toán QLĐH hệ thống thoát nước sông Tô Lịch nhằm bước đầu quản lí các thông tin và điều khiển hệ thống tiêu thoát nước một cách đồng bộ với sự trợ giúp của CNTT và mô hình toán dòng chảy Các nghiên cứu của chương 1 là cơ sở và tiền đề cho nội dung của luận án và sẽ được giải quyết ở các chương tiếp theo

Chương 2 ứng dụng mô hình toán dòng chảy cho hệ thống

thoát nước sông tô lịch

2.1 - Mô hình toán dòng chảy đô thị

2.1.1 - Đặc điểm cơ bản của dòng chảy đô thị

Qúa trình mưa - dòng chảy ở một lưu vực đô thị tương tự như lưu vực tự nhiên, được chia thành 3 giai đoạn: Giai đoạn hình thành dòng chảy, giai đoạn dòng chảy mặt (chảy tràn trên sườn dốc), giai đoạn chảy tập trung trong hệ thống thoát nước

Tuy nhiên, khác với lưu vực tự nhiên, lưu vực đô thị có bề mặt đất bị biến dạng mạnh mẽ họat động sinh hoạt và sản xuất của con người Vì vậy, so với hệ thống sông ngòi tự nhiên, hệ thống tiêu thoát nước đô thị có một số đặc

điểm riêng như sau:

- Diện tích thoát nước tương đối nhỏ

- Dòng chảy chủ yếu là dòng chảy hình thành từ mưa và nói chung là dòng không ổn định, không đều và biến đổi chậm có áp hoặc không áp

- Ngoài nước mưa, lưu vực đô thị còn tiếp nhận một phần nước thải do sinh họat và sản xuất của con người tạo ra

- Tính chất thủy văn, thủy lực của hệ thống tiêu thoát biến đổi mạnh mẽ theo không gian và thời gian, chịu ảnh hưởng mạnh do các họat động của con người như xây dựng, cải tạo đô thị

- Dòng chảy trong hệ thống chịu ảnh hưởng của các điều kiện biên tại cửa thoát chính Các điều kiện biên này là một trong các nhân tố có tác động quyết định đến cấu trúc, qui mô, kích thước và mức chịu tải của hệ thống tiêu thoát nước đang xét

- Tác động tích, điền trũng tạm thời trong nội bộ lưu vực đô thị cũng có tác động đáng kể đến chế độ vận hành của hệ thống thoát nước

- Về mặt thủy văn, lưu vực đô thị được nhìn nhận là một hệ thống thủy văn với chế độ tương tự như một lưu vực tự nhiên khép kín

- Trong lưu vực đô thị có phần diện tích có thấm và phần diện tích không thấm (nhà cửa, đường giao thông, sân ) xen kẽ nhau

- Độ nhám của bề mặt lưu vực thay đổi nhanh và phức tạp hơn nhiều so với lưu vực tự nhiên

- Sự họat động có hay không có hiệu quả của hệ thống thoát nước đô thị phụ thuộc rất nhiều vào năng lực, trình độ QLĐH và ý thức tác động của con người vào hệ thống đó

2.1.2 - Mô hình toán dòng chảy đô thị

Từ 1960 đến nay đã diễn ra sự phát triển sâu rộng việc mô hình hóa các hiện tượng và hệ thống tự nhiên khác nhau Mô hình dòng chảy đô thị cũng nằm trong trào lưu đó Mô hình dòng chảy đô thị thuộc dạng mô hình toán mô phỏng quá trình dòng chảy do mưa trên lưu vực đô thị

Cũng như các phương pháp tính toán đối với lưu vực sông tự nhiên, xu hướng phổ biến hiện nay trên thế giới để tính toán dòng chảy đô thị là dùng

các mô hình tất định để mô phỏng toàn bộ quá trình dòng chảy theo 3 giai

đoạn (giai đoạn hình thành dòng chảy, giai đoạn chảy tràn trên sườn dốc, giai

đoạn chảy tập trung trong hệ thống) Các mô hình này chủ yếu sử dụng các trận mưa đơn dưói dạng một trận mưa thiết kế hoặc các trận mưa thực đo để tính toán dòng chảy phục vụ quy hoạch, thiết kế và điều khiển hệ thống thoát nước với một tần suất đảm bảo nào đó

Phương pháp tính toán dòng chảy đô thị cũng được áp dụng riêng cho từng giai đoạn dòng chảy:

a - Giai đoạn hình thành dòng chảy

Đối với giai đoạn này người ta thường dùng các mô hình xác định quá trình hình thành mưa hiệu quả trên cơ sở tính toán lượng tổn thất

b - Dòng chảy từ các lưu vực bộ phận

Trong giai đoạn này cần lựa chọn một phương pháp chuyển hoá thích hợp từ lượng mưa hiệu quả thành dòng chảy của từng lưu vực bộ phận Trong mô hình vật lý để tính toán dòng chảy lưu vực, ngoài phương trình liên tục còn

sử dụng phương trình động lực ở các dạng khác nhau Có thể kết hợp nhiều phương pháp tính toán khác nhau cho các dạng khác nhau của bề mặt lưu vực

c - Giai đoạn chảy tập trung trong hệ thống thoát nước

Nói chung có hai phương pháp cơ bản để tính toán cho giai đoạn này Phương pháp thứ nhất được gọi một cách tổng quát là phương pháp thuỷ văn dựa trên tính liên tục và cân bằng của dòng chảy theo định luật bảo toàn khối lượng nhưng không chú ý tới sự thay đổi cấu trúc bên trong của khối nước chuyển động

Phương pháp thứ hai được gọi là phương pháp thủy động lực Phương pháp thủy động lực sử dụng hệ phương trình Saint-Venant gồm phương trình ở dạng đầy đủ và phương trình liên tục để tính toán dòng chảy trong hệ thống để mô phỏng dòng chảy ở lưu vực đô thị

2.1.3 - Một số mô hình tiêu thoát nước đô thị thông dụng

Đa số các mô hình tiêu thoát nước đô thị được xây dựng để mô tả quan

hệ mưa dòng chảy dưới dạng tổng hợp, nghĩa là nó diễn tả toàn bộ quá trình mưa - dòng chảy gồm 3 giai đoạn được tính toán riêng theo một mô hình bộ phận với phương pháp khác nhau, hoặc theo xu hướng nhận thức, hoặc theo xu hướng vật lý

Dưới đây mô tả tóm tắt một số mô hình mưa - dòng chảy đô thị đang sử dụng khá phổ biến trên thế giới

a - Mô hình UCURM ( Universty of Cincinnati Urban Runoff Model)

Mô hình này bao gồm 5 mô hình bộ phận, mô tả các quá trình thấm,

điền trũng bề mặt, dòng chảy mặt, dòng chảy trong cống tiêu và dòng chảy lũ trong hệ thống tiêu thoát đô thị Việc tính toán dòng chảy lũ trong hệ thống

được tiến hành trên cơ sở xếp chồng các đường quá trình lũ bộ phận tại các cửa nhận nước (nút, hố ga) của hệ thống Nói chung các kết quả nhận được thiên lớn so với các mô hình khác

b - Mô hình TR-20 (Technical Release Model)

Mô hình này là một trong các mô hình được sử dụng phổ biến nhất hiện nay ở Mỹ Mô hình gồm 4 mô hình bộ phận để tính toán quá trình dòng chảy

đô thị Cụ thể:

- Xác định mưa hiệu quả

- Tính toán quá trình dòng chảy từ các diện tích bộ phận

- Xác định thời gian tập trung dòng chảy từ các thông số lưu vực

- Diễn toán dòng chảy trong cống, kênh tiêu

- Xác định dòng chảy tổng hợp từ các bước tính trên

c - Mô hình MIKE 11

Đây là mô hình tổng hợp có nhiều modul để mô phỏng chế độ thuỷ

động lực học sông ngòi, lưu vực đô thị với cống có áp, quá trình vận chuyển bùn cát và các quá trình diễn biến chất lượng nước Phần mềm có khả năng mô phỏng dòng chảy qua các công trình và việc vận hành các công trình khai thác và sử dụng nguồn nước theo các chiến lược nào đó

d - Mô hình SWMM ( Storm Water Management Model)

Mô hình được áp dụng khá phổ biến trên thế giới để tính toán dòng chảy đô thị cả về lượng và chất Đây là mô hình vật lý tham số phân phối, có thể mô phỏng toàn bộ quá trình mưa - dòng chảy từ khi mưa đến khi kết thúc

ở mặt cắt cửa ra của một lưu vực đô thị, bao gồm cả phần thấm và không thấm; sau đó tổng hợp diễn toán theo phương pháp thuỷ lực trên toàn bộ hệ thống cống, kênh và với bất kỳ công trình phụ trợ nào, như bổ sung các chức năng điều khiển đóng và mở công trình theo yêu cầu quản lý hệ thống

Mô hình SWMM lần đầu tiên đưa vào nước ta từ năm 1995 đã được sử dụng trong nghiên cứu qui hoạch thoát nước Hà Nội, báo cáo nghiên cứu khả thi, báo cáo thiết kế kỹ thuật cho dự án thoát nước và cải tạo môi trường Hà Nội và một số nhà khoa học Việt Nam đã nghiên cứu sử dụng mô hình SWMM để tính toán dòng chảy cho đô thị Hà Nội

Tại Việt Nam, hiện nay đã có mã nguồn của mô hình cho nên người sử dụng có thể can thiệp điều chỉnh, cải tiến chương trình cho phù hợp mục tiêu

sử dụng

Chính vì tính năng ưu việt của mô hình SWMM và thực tế ứng dụng mô hình SWMM tại Việt nam và Hà Nội, tác giả sẽ nghiên cứu sử dụng mô hình SWMM4.4H trong luận án này

2.2 - Mô hình SWMM 4.4H (Storm Water Management Model)

2.2.1 - Cấu trúc mô hình

Cấu trúc của mô hình được mô tả dưới dạng khối theo hình 2.2

Mô hình bao gồm các khối cơ bản sau:

- Khối “Số liệu địa hình” là CSDL tổng hợp chung bao gồm địa hình,

hệ thống công trình trong hệ thống kênh, cống tiêu

- Khối “Dòng chảy ra từ modul dòng chảy mặt Runoff” bao gồm quá

trình mưa hiệu quả, các điều kiện ban đầu

- Khối “Mô Hình diễn toán dòng chảy EXTRAN” là khối mô phỏng

thuỷ lực trong hệ thống

- Khối “Nhận nước - Đầu vào mô hình diễn toán RECEIV” là khối

nhận nước tại cửa ra của hệ thống nằm ngoài lưu vực đô thị

Tuỳ theo yêu cầu thực tế có thể xem xét một phần hay toàn bộ các khối của hệ thống trên

Mô hình SWMM bao gồm nhiều mô hình bộ phận như Block RUNOFF, EXTRAN, STORAGE, Transport, RECEIVING, MET .Tuy nhiên để

áp dụng tính toán thủy văn, thuỷ lực trên hệ thống thoát nước sông Tô Lịch

Mô Hình diễn toán dòng chảy

Biểu đồ Q(t), H(t) tại vị trí bất kỳ

của hệ thống tiêu thoát

In ấn

H(t) Q(t)

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc mô phỏng của mô hình SWMM

H, Q

phục vụ QLĐH tiêu thoát nước chỉ cần sử dụng Block RUNOFF, EXTRAN

và STORAGE

2.2.2 - Block RUNOFF

Block Runoff tính toán quá trình dòng chảy mặt từ mỗi lưu vực bộ phận,

được tính theo phương trình sóng động học (kết hợp giữa phương trình liên tục

và công thức thực nghiệm Maning - Strickler) theo dạng:

2 2

) ( ) ( )

( )

A

V V t h

1

J k B A WCON = (2.2)

Trong đó: h(t+ ∆t) và h(t) là độ sâu dòng chảy mặt tại cuối và đầu thời

đoạn tính ∆t; Vr là tổng lượng mưa; Vi là tổng lượng thấm; R là chiều sâu lớp nước trữ trên mặt lưu vực; B là chiều rộng diện tích hứng nước; J là độ dốc đáy của phần diện tích tính toán; A là diện tích lưu vực

SWMM sử dụng kỹ thuật giải lặp Newton-Raphson giải phương trình 2.1 để tìm h(t+ ∆t) sau đó tìm giá trị Q(t+ ∆t) theo phương trình Maning-Strickler:

5 2

1

2

) ( ) ( )

2.2.3 - Block EXTRAN

Mô hình này giải hệ phương trình Saint-Venant ở dạng đầy đủ và tính toán cho các trường hợp như nước vật, chảy ngược, hệ thống thoát nước chảy vòng, chảy có áp hoặc chảy ngập trong hệ thống thoát nước thành phố với bất

kỳ điều kiện phức tạp nào EXTRAN nhận các biểu đồ quá trình dòng chảy tại

A - Diện tích mặt cắt ngang kênh tại mặt cắt đang xét (m2)

H - Cột nước áp lực (m) tại mặt cắt đang xét, H = z + h, với z là cao độ

đáy (m) kênh tại mặt cắt đang xét và h là chiều sâu nước (m) trong kênh tại mặt cắt đang xét

2.2.4 - Block STORAGE

Sử dụng chương trình STORAGE để diễn toán hồ chứa

Việc áp dụng mô hình SWMM để giải quyết các bài toán thực tế cần

phải qua kiểm tra với các trận lũ thực Kiểm tra mô hình thực hiện 2 bước cơ bản:

Bước 1: Hiệu chỉnh mô hình (Calibration)

Qua mô phỏng hiện trạng với một trận lũ thực sẽ xác định được bộ thông

số cơ bản của mô hình đã chọn và của lòng dẫn

Bước 2: Kiểm kiểm định mô hình (Verification)

Giữ nguyên bộ thông số đã qua bước hiệu chỉnh mô hình (bước 1) để tính toán cho trận lũ độc lập khác Nếu qua kiểm tra có sự phù hợp giữa tính toán và thực đo cho tất cả các trận mưa - dòng chảy được chọn thì mô hình mới được sử dụng để tính toán

2.3.2 - Hiệu chỉnh thông số của mô hình SWMM

Để hiệu chỉnh mô hình cần tiến hành chuẩn bị số liệu tổng hợp về hệ thống thoát nước theo yêu cầu của mô hình SWMM và thu thập số liệu thực

đo trong lưu vực sông Tô Lịch trong một trận mưa - dòng chảy

Nguồn số liệu được chuẩn bị như mô tả dưới đây:

a - Tài liệu địa hình, địa chất, sử dụng đất

b - Tài liệu các đặc trưng về hệ thống thoát nước

c - Số liệu mưa - dòng chảy cho hiệu chỉnh mô hình

2.3.3 - Sơ đồ tính toán

Căn cứ vào bộ số liệu đã thu thập, sơ đồ tính toán hiệu chỉnh thông số

được lập với các điều kiện như mô tả dưới đây

a - Điều kiện biên vào: Quá trình mưa thực đo của trận mưa ngày 29 -

30/8/1995

b - Điều kiện ban đầu: Mực nước và lưu lượng tại thời điểm bắt đầu

của trận mưa trên tất cả các nút, đoạn của hệ thống sông Tô Lịch

c - Điều kiện biên ra: Quá trình mực nước thực đo tại hạ lưu đập Thanh

Liệt là điều kiện biên ra của hệ thống

- Bộ số liệu biên trên, dưới và điều kiện ban đầu

- Bộ số liệu về lòng dẫn như hệ số nhám n, chiều rộng lòng dẫn, khu chứa, khoảng cách giữa các mặt cắt ∆x

- Tổn thất thấm ướt trên nền không thấm và điền trũng bề mặt

- Đặc tính lý, hoá của phần đất tự nhiên còn lại trong các tiểu lưu vực,

- Hệ số nhám bề mặt và hệ số nhám lòng dẫn

* Sai số về dạng đường quá trình:

Mức độ phù hợp giữa đường quá trình tính toán và thực đo có thể được

đánh giá qua tỷ số S/σ, trong đó:

σ - sai số quân phương trung bình trong chuỗi thực đo:

σ ( )

n

Q Q

id it

Như vậy, theo công thức xác định trên đây, tỷ số S/σ càng nhỏ thì mức

độ phù hợp giữa đường tính toán và thực đo càng tốt Thực tế tính toán cho thấy, nếu S/σ không vượt quá giá trị 0,35 - 0,40 thì mức độ phù hợp là chấp nhận được

* Sai số về giá trị lớn nhất

Gọi γ là đại lượng tuyệt đối biểu thị mức độ sai số lớn nhất thì:

γ =

td Q

td Q tt Q

Nếu 10%≤γ < 12% thì kết quả chấp nhận được

Nếu 5 %≤ γ < 10% thì kết quả đạt mức khá

Nếu γ < 5% thì kết quả đạt mức tốt

c - Kết quả tính toán hiệu chỉnh

Qua các bước thử sai với các thông số cơ bản được thay đổi trong giới hạn hợp lý như đã trình bày trên đã cho kết quả khá phù hợp giữa tính toán và thực đo tại vị trí đo đạc ở thượng lưu đập Thanh Liệt

2.4.4 - Tính toán kiểm tra mô hình

Sau khi có sự phù hợp giữa tính toán và thực đo trong trận mưa dùng để hiệu chỉnh thông số, để kiểm định mô hình chương trinh SWMM được áp dụng tính toán cho 2 trận mưa độc lập khác, cụ thể với các điều kiện như dưới

đây

a - Điều kiện tính toán

Sơ đồ tính và các điều khác được sử dụng như trong bài toán kiểm định

ở phần trên

b - Trận mưa - dòng chảy chọn để kiểm tra

1 Trận mưa ngày 17/7/1995, tổng lượng mưa 30,0 mm trong 9 giờ,

2 Trận mưa ngày 24/7/1996 , tổng lượng mưa 87,1 mm trong 14 giờ

* Vị trí đo kiểm tra:

- Trận mưa 1: Đo lưu lượng và mực nước tại thượng lưu đập Thanh Liệt (tại cầu vào Nhà máy Sơn Hà Nội)

- Trận mưa 2: Đo lưu lượng và mực nước tại 2 vị trí:

Cầu Thái Hà khống chế 2 tiểu lưu vực T5 và T6 với diện tích 580 ha

Cống Lò Đúc khống chế lưu vưc K1 với diện tích lưu vực 347 ha

c - Kết quả tính toán kiểm tra

Kết quả tính toán kiểm tra lưu lượng và mực nước cho 3 vị trí trên hệ thống sông Tô Lịch có sai số về dạng đường từ 0,23 đến 0,29, sai số về lưu lượng lớn nhất dao động từ 1% đến 8,7%, trong khi đối với tổng lượng mức độ