Mô hình thủy văn A/ Phương pháp cường độ giới hạn a Lưu lượng tính toán: Trong đó: t Q : Lượng nước lớn nhất chảy tràn ra khỏi lưu vực, m3/s : Hệ số phân bố mưa rào... V1: Vận tốc tr
Mục tiêu nghiên cứu
Áp dụng tiến bộ khoa học của ngành thủy lực, thủy văn vào quy hoạch mạng lưới thoát nước đô thị, cụ thể là:
Lựa chọn mô hình thủy văn phù hợp là rất quan trọng để đáp ứng các điều kiện khí tượng thủy văn, thủy lực, địa hình, địa mạo và địa chất của khu vực Tp HCM.
Lựa chọn mô hình thủy lực phù hợp là rất quan trọng để phân tích hiệu quả của mạng lưới thoát nước, từ đó giúp xác định khẩu độ cống tối ưu cho hệ thống.
• Đề xuất giải pháp thoát nước mưa cho đường Nguyễn Duy Trinh, quận 2, Thành phố Hồ Chí Minh
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết Phương pháp mô hình hóa
TỔNG QUAN VỀ MẠNG LƯỚI THOÁT NƯỚC
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ MẠNG LƯỚI THOÁT NƯỚC
1.1.1 Nhiệm vụ của hệ thống thoát nước và các dạng nước thải
Các hoạt động hàng ngày của con người tại các đô thị và khu dân cư tạo ra nhiều nguồn ô nhiễm với các đặc tính khác nhau Những nguồn ô nhiễm này bao gồm chất thải sinh lý từ con người và động vật nuôi, cũng như chất thải từ quá trình sản xuất và nước thải thải ra môi trường.
Nước thải từ sinh hoạt, sản xuất và nước mưa trên mái nhà, mặt đường, sân vườn chứa nhiều hợp chất vô cơ, hữu cơ và vi trùng gây bệnh Việc xả thải bừa bãi sẽ dẫn đến ô nhiễm môi trường nước, đất và không khí, làm gia tăng mầm bệnh nguy hiểm ảnh hưởng đến sức khỏe con người Nếu không được thu gom và vận chuyển, nước thải có thể gây ngập lụt tại các khu dân cư, đô thị và xí nghiệp, hạn chế đất đai xây dựng, ảnh hưởng đến nền móng công trình, gây cản trở giao thông và tác động tiêu cực đến các ngành kinh tế khác.
Hệ thống thoát nước có nhiệm vụ thu gom và vận chuyển nhanh chóng mọi loại chất thải ra khỏi khu vực, đồng thời xử lý và khử trùng để đảm bảo vệ sinh trước khi xả vào nguồn tiếp nhận.
Nước thải có nhiều loại khác nhau tùy theo tính chất và nguồn gốc của nó người ta phân biệt ra ba loại chính sau đây :
Nước thải sinh hoạt : Thải ra từ các chậu rửa, bồn tắm nhà xí, tiểu… chứa nhiều chất hữu cơ và vi trùng
Nước thải sản xuất là loại nước được thải ra sau quá trình sản xuất, với thành phần và tính chất phụ thuộc vào lĩnh vực công nghiệp, nguyên liệu sử dụng và công nghệ áp dụng Nước thải này thường được phân loại thành hai nhóm: nước nhiễm bẩn nhiều và nước nhiễm bẩn ít.
Nước mưa chảy trên bề mặt các công trình như mái nhà, đường phố, và khu dân cư thường bị nhiễm bẩn Tại các đô thị, nước thải sinh hoạt và sản xuất được dẫn chung, tạo thành nước thải đô thị.
Hệ thống thoát nước là tổ hợp những công trình thiết bị và các giải pháp kỹ thuật được tổ chức để thực hiện nhiệm vụ thoát nước
Dựa vào mục đích và yêu cầu sử dụng nguồn nước thải từ các khu vực phát triển gần thành phố, thị xã, thị trấn, cùng với các tiêu chuẩn kỹ thuật vệ sinh và nguyên tắc xả nước thải vào hệ thống thoát nước đô thị, người ta phân loại các hệ thống thoát nước khác nhau.
Hệ thống thoát nước chung, hệ thống thoát nước riêng, hệ thống thoát nước nửa riêng và hệ thống hỗn hợp
Hệ thống thoát nước chung là mạng lưới tiếp nhận tất cả các loại nước thải và dẫn đến công trình xử lý Ưu điểm của hệ thống này là đảm bảo vệ sinh, vì toàn bộ nước bẩn được xử lý trước khi xả ra môi trường.
Hệ thống thoát nước riêng bao gồm hai hoặc nhiều mạng lưới độc lập: một mạng để vận chuyển nước bẩn nhiều, thường xả vào nguồn để xử lý, và một mạng khác để vận chuyển nước bẩn ít hơn, xả thẳng ra nguồn So với hệ thống thoát nước chung, hệ thống này có lợi thế về xây dựng và quản lý, giúp giảm vốn đầu tư ban đầu và duy trì chế độ làm việc ổn định Tuy nhiên, về mặt vệ sinh, hệ thống thoát nước riêng có phần kém hơn do sự tồn tại của nhiều mạng lưới thoát nước trong đô thị.
Hệ thống hỗn hợp là sự kết hợp các loại hệ thống kể trên, thường gặp ở những thành phố cải tạo mở rộng
Việc lựa chọn hệ thống và sơ đồ thoát nước cần dựa vào tính chất phục vụ lâu dài và ổn định của các công trình Tùy thuộc vào điều kiện địa phương, việc so sánh kinh tế kỹ thuật và vệ sinh sẽ giúp xác định hệ thống thoát nước phù hợp nhất.
1.1.3 Nguyên tắc vạch tuyến mạng lưới thoát nước
Mạng lưới thoát nước bao gồm một hoặc nhiều cống góp chính, phục vụ cho các lưu vực thoát nước Lưu vực thoát nước là khu vực của đô thị hoặc xí nghiệp nơi nước thải được tập trung về một cống góp chính Ranh giới của lưu vực được xác định bởi các đường phân thủy, và các cống góp chính thường được đặt dọc theo các đường tụ thủy.
Hệ thống thoát nước được thiết kế chủ yếu theo nguyên tắc tự chảy Khi cống đặt quá sâu, cần sử dụng máy bơm để nâng nước lên cao, sau đó cho phép nước tiếp tục chảy tự nhiên Việc vạch tuyến mạng lưới nên được thực hiện theo một thứ tự hợp lý.
- Phân chia lưu vực thoát nước
- Xác định vị trí trạm xử lý và vị trí xả nước vào nguồn
- Vạch tuyến cống góp chính, cống góp lưu vực, cống đường phố và tuân theo nguyên tắc sau đây:
Cần tận dụng tối đa địa hình để lắp đặt cống theo hướng nước chảy tự nhiên từ vùng đất cao xuống vùng đất thấp trong lưu vực thoát nước Điều này giúp đảm bảo lượng nước thải lớn nhất có thể chảy tự nhiên qua cống, giảm thiểu việc đào đắp và hạn chế lắp đặt nhiều trạm bơm không cần thiết.
Để tối ưu hóa hệ thống cống, cần thiết kế sao cho tổng chiều dài cống là ngắn nhất, nhằm hạn chế tình trạng nước chảy vòng vo và tránh việc đặt cống quá sâu Việc này cần được thực hiện dựa trên đặc điểm địa hình của mặt đất.
Sơ đồ hộp, khi cống đặt dọc theo các đường giao thông bao bọc khu phố
+ Sơ đồ ranh giới thấp, khi nó được đặt dọc theo đường giao thông về phái địa hình thấp của khu phố
Trạm xử lý nước thải được đặt ở vị trí thấp hơn so với địa hình thành phố, nhưng không bị ngập lụt Nó nằm ở cuối hướng gió chính vào mùa hè và cuối nguồn nước, đảm bảo khoảng cách vệ sinh an toàn 500m xa khu dân cư và các xí nghiệp công nghiệp.
Cần giảm thiểu tối đa việc xây dựng cống chui qua sông hồ, cầu phà, đường giao thông, đê đập và các công trình ngầm Việc bố trí cống thoát nước cần được kết hợp chặt chẽ với các công trình ngầm khác trong thành phố.
LỰA CHỌN CÁC MÔ HÌNH THỦY VĂN, THỦY LỰC ÁP DỤNG TRONG THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ
1.2.1 Tổng quan về các mô hình thủy văn, thủy lực
A/ Phương pháp cường độ giới hạn a) Lưu lượng tính toán:
Q t : Lượng nước lớn nhất chảy tràn ra khỏi lưu vực, m 3 /s
: Hệ số phân bố mƣa rào
C: Hệ số dòng chảy q: Cường độ mưa, l/s-ha hoặc mm/h
Diện tích lưu vực được đo bằng mét vuông hoặc hecta, trong khi hệ số dòng chảy phụ thuộc vào độ không thấm nước, độ dốc và các đặc điểm làm chậm dòng chảy của bề mặt Các bề mặt như bê tông và mái nhà gần như tạo ra 100% dòng chảy do khả năng thấm nước rất nhỏ Ngoài ra, tính chất của đất, mực nước ngầm và độ chặt của lớp phủ thực vật cũng ảnh hưởng đến hệ số dòng chảy Do đó, việc lựa chọn hệ số dòng chảy hợp lý yêu cầu người thiết kế thủy văn phải có kiến thức và kinh nghiệm.
Theo tiêu chuẩn TCXDVN 7957-2008, hệ số dòng chảy được xác định là một đại lượng không đổi dựa trên tính chất bề mặt Tuy nhiên, tiêu chuẩn này chưa xem xét yếu tố thời gian ảnh hưởng đến hệ số dòng chảy, đặc biệt là trong bối cảnh cường độ mưa.
(1-2) Trong đó: q: Cường độ mưa, l/s.ha t: Thời gian dòng chảy mƣa, phút
P: Chu kỳ lặp lại trận mƣa tính toán và A, C, b, n là tham số xác định theo điều kiện địa phương, theo phụ lục B của tiêu chuẩn TCXDVN 7957-2008 [2] d) Thời gian dòng chảy mưa:
Thời gian dòng chảy mƣa đến điểm tính toán t (phút) đƣợc xác định theo công thức:
0 1 2 t t t t (1-3) Trong đó: t o : Thời gian nước mưa chảy trên bề mặt đến rãnh đường, có thể lấy từ 5 đến
Trong trường hợp tiểu khu có giếng thu nước mưa, tham số t0 không còn xuất hiện trong phương trình (1-3) Thời gian nước chảy theo rãnh đường đến giếng thu được ký hiệu là t1 và tính bằng phút.
0.021L t V (1-4) Với L 1 : Chiều dài rãnh đường, m
V 1 : Vận tốc trung bình dòng chảy ở cuối rãnh đường, m/s t2: Thời gian nước chảy trong cống đến tiết diện tính toán, phút
Với L 2 : Chiều dài mỗi đoạn cống tính toán, m
V 2 : Vận tốc trung bình dòng chảy trong mỗi đoạn cống tương đương, m/s
Thời gian dòng chảy mưa có ảnh hưởng lớn đến cường độ mưa của từng đoạn cống, được tính toán theo phương trình (1-2) với t là tham số thay đổi Khi lưu lượng nước chảy trong cống thay đổi do sự biến động của q, các hằng số khác trong phương trình (1-1) không thay đổi Do đó, việc xác định giá trị t là rất quan trọng Hơn nữa, phương trình (1-4) không xem xét các yếu tố của lưu vực như độ dốc và hình dạng, dẫn đến sai số trong việc xác định lưu lượng và ảnh hưởng đến kích thước của mạng lưới thoát nước.
Phương pháp này được sử dụng để lựa chọn sơ bộ đường kính cống, sau đó cần mô phỏng lại bằng mô hình thủy văn thủy lực nhằm đánh giá tính hợp lý của mạng lưới Các giới hạn của phương pháp này tương tự như giới hạn của phương pháp thích hợp.
B/ Phương pháp thích hợp (Rational Method)
Phương pháp thích hợp là một trong những phương pháp phổ biến nhất nhờ vào tính dễ sử dụng trong việc xác định lưu lượng đỉnh Lưu lượng đỉnh này giúp xác định kích thước các công trình trong mạng lưới thoát nước mưa Phương pháp này lần đầu tiên được áp dụng vào năm 1851 (Mulvaney, 1851) và đã được hoàn thiện, áp dụng rộng rãi vào năm 1889 (Kuichling, 1889).
Hình 1-1: Mô hình xác định lưu lượng theo dạng tam giác của phương pháp thích hợp
9 a) Lưu lượng đỉnh tính toán
Q: lưu lượng nước lớn nhất chảy tràn ra khỏi lưu vực m 3 /s, C: hệ số dòng chảy trong lưu vực, i: cường độ mưa mm/h, A: diện tích lưu vực hecta hoặc m 2
Hệ số dòng chảy C phụ thuộc vào dạng bề mặt phủ và tính chất sử dụng đất của lưu vực, được xác định qua nghiên cứu thực nghiệm Hệ số này cho biết lượng nước chảy ra khỏi lưu vực khi có một lượng mưa i Bề mặt nhám và thấm nước sẽ làm giảm hệ số C, vì chúng cản trở dòng chảy và tăng khả năng thấm, dẫn đến lưu lượng nước ra khỏi lưu vực thấp hơn so với bề mặt nhẵn và không thấm nước.
Cường độ mưa được xác định theo công thức
(1-7) với i: cường độ mưa, mm/h, t c : thời gian tập trung dòng chảy, phút và b, d, e: các tham số, tùy vào biểu đồ IDF của từng địa phương
Theo phương trình (1-7), t c là biến số duy nhất cho từng đoạn cống, trong khi các tham số b, d, e là hằng số cho địa phương cụ thể Việc xác định giá trị t c là rất quan trọng trong quá trình tính toán Thời gian tập trung dòng chảy cũng cần được xem xét kỹ lưỡng.
Thời gian tập trung dòng chảy có thể được tính toán bằng nhiều công thức khác nhau Bài viết này sẽ chỉ đề cập đến một số công thức phổ biến và được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới.
10 Theo phương pháp Kirpich (Kirpich Method)
0, 0078 . t c L S (1-8) với L: chiều dài rãnh nước chảy trên lưu vực, m
S: độ dốc rãnh nước chảy trên lưu vực, m/m Độ dốc S đƣợc xác định theo công thức:
(1-9) với H : chênh cao giữa điểm cao nhất và thấp nhất của rãnh dòng chảy, m L: chiều dài rãnh nước chảy, m
Nếu trên tiểu lưu vực không phải là rãnh dòng mà là cống kín, t c được xác định:
(1-10) với n: hệ số nhám Manning của cống kín
R: bán kính thủy lực, m, L: chiều dài cống, m, S: độ dốc cống, m/m
Phương pháp Kirpich áp dụng thích hợp cho các lưu vực có diện tích < 81 ha
Giới hạn của phương pháp thích hợp
Sử dụng phương pháp thích hợp có vài hạn chế:
Hạn chế lớn nhất của phương pháp này là chỉ cung cấp lưu lượng đỉnh tại một thời điểm cụ thể mà không xác định được thời gian mưa.
Phương pháp này cho phép xác định chiều dài dòng chảy, một giá trị do người thiết kế quyết định, do đó kết quả phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của họ.
Cường độ mưa trung bình được áp dụng trong công thức tính lưu lượng không dựa trên chuỗi thời gian mưa của một trận mưa thực tế trong suốt thời gian mưa.
Hệ số dòng chảy C được xác định dựa trên bảng tra kinh nghiệm, và việc lựa chọn hệ số này đòi hỏi người thiết kế phải có kinh nghiệm phong phú, do lưu vực có các bề mặt không đồng nhất.
C/ Phương pháp thích hợp cải tiến (Modified Rational Method)
Phương pháp thích hợp cải tiến, phát triển từ năm 1998 theo Chow et.al., đã khắc phục những nhược điểm của phương pháp thích hợp trước đó, vốn chỉ xác định lưu lượng đỉnh mà không quan tâm đến khối lượng nước và thời gian cơn mưa Phương pháp này sử dụng biểu đồ tính lưu lượng dạng hình tam giác, mang lại sự chính xác hơn trong việc đánh giá lưu lượng nước.
LÝ THUYẾT MÔ HÌNH THỦY VĂN EPA SWMM
Mạng lưới thoát nước trong mô hình thủy văn bao gồm các yếu tố quan trọng như dữ liệu mưa, hệ số nhám, nước ngầm, bốc hơi, và diện tích các vùng thấm và không thấm Những yếu tố này kết hợp với lượng mưa sẽ tạo ra dòng chảy tràn trên bề mặt lưu vực, dẫn nước về các hầm ga thu nước, mạng lưới cống, và cuối cùng thoát ra cửa xả.
Dữ liệu mưa đã được thu thập thông qua khảo sát hiện trạng và quy hoạch tương lai của lưu vực Các thuộc tính của lưu vực đóng vai trò quan trọng trong việc xác định lượng nước chảy vào và thoát ra khỏi mạng lưới.
Phần này sẽ làm rõ các thuộc tính của lưu vực thông qua việc trình bày các công thức tính toán và hệ số kinh nghiệm, nhằm mục đích giúp mô phỏng thủy văn của mạng lưới thoát nước gần gũi với thực tế nhất.
1.3.1.1 Chọn loại dữ liệu cho mưa
Dữ liệu mưa là yếu tố quan trọng nhất trong thủy văn, đặc biệt trong phương pháp EPA SWMM Để áp dụng phương pháp này, cần có biểu đồ mưa thể hiện cường độ mưa theo chu kỳ mô phỏng Cách đơn giản nhất là sử dụng một trận mưa đặc trưng cho toàn bộ đô thị, với bước thời gian 15 phút hoặc theo giờ, dựa trên lịch sử mưa từ số liệu thủy văn của từng khu vực.
1.3.1.2 Chu kỳ lặp trận mưa
Mục đích của thiết kế thoát nước đô thị là ngăn ngừa ngập lụt, tương ứng với chu kỳ 5 năm, 10 năm cho đô thị nhỏ và 100 năm cho đô thị lớn Việc lựa chọn chu kỳ lặp trận mưa phù hợp là rất quan trọng, đặc biệt khi dân số phát triển, nhằm đảm bảo hệ thống thoát nước không bị quá tải Mạng lưới thoát nước đã được thiết kế sẽ tồn tại lâu dài, do đó cần cân nhắc kỹ lưỡng trong quá trình lựa chọn.
Theo kỹ thuật thoát nước đô thị truyền thống, biểu đồ mưa được thể hiện dưới dạng đường cong IDF (cường độ, thời gian, tần suất), trong đó tần suất là yếu tố chính quyết định dòng chảy mặt trên lưu vực và lưu lượng đỉnh Lưu lượng đỉnh này sẽ được sử dụng để xác định đường kính cống trong mạng lưới thoát nước Kỹ sư quy hoạch và thiết kế hệ thống thoát nước cần cân nhắc giữa chi phí xây dựng và tính bền vững của hệ thống, điều này tạo ra một bài toán khó với nhiều kịch bản khác nhau Tần suất, hay chu kỳ lặp trận mưa, là yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn kịch bản.
Việc lựa chọn tần suất cho mô hình EPA SWMM gặp nhiều khó khăn, do đó, mô hình này đã được phát triển để mô tả trận mưa thực tế theo thời gian đo liên tục Điều quan trọng là dữ liệu ghi nhận mưa phải chính xác và được đo liên tục Hiện nay, việc này có thể dễ dàng thực hiện nhờ vào sự hỗ trợ của các công cụ quan trắc mưa tự động hiện đại.
Việc sử dụng dữ liệu mưa liên tục theo chu kỳ lặp trận đã trở nên dễ dàng hơn, cho thấy rằng mô hình EPA SWMM mô phỏng mưa theo cách này mang lại lợi ích lớn cho các nhà thiết kế.
1.3.2 Nước bốc hơi trên lưu vực
Khi bề mặt lưu vực bị nung nóng, nước bốc hơi trên lưu vực sẽ xảy ra Trong những trận mưa đầu tiên, một phần lượng nước mưa rơi xuống sẽ bị bốc hơi.
Dữ liệu được thu thập hàng tháng hoặc theo chuỗi thời gian, cho thấy lượng nước bốc hơi và thấm vào đất là lượng nước mất đi từ mưa khi rơi xuống lưu vực.
Khi những ngày mưa kéo dài, yếu tố nhiệt độ không còn quan trọng vì không khí đã giảm nhiệt Tuy nhiên, tại thành phố Hồ Chí Minh, điều này vẫn cần được lưu ý.
Khu vực 22 thường không trải qua những ngày mưa kéo dài như miền Trung hay miền Bắc, mà chủ yếu chỉ có những trận mưa ngắn hạn Do đó, yếu tố này cần được xem xét trong mô hình thủy văn.
Trong mô hình EPA SWMM có hai lựa chọn mô hình thấm trên lưu vực đó là hai phương trình thấm Horton và Green-Ampt
Phương trình thấm Horton (1940) được sử dụng để tính toán khả năng thấm của đất dựa vào hàm số theo thời gian Nhiều mô hình thủy văn, bao gồm EPA SWMM, đã áp dụng phương trình này.
Phương trình thấm được biểu diễn như sau: \$f_p = f_\infty + (f_o - f_\infty)e^{-at}\$, trong đó \$f_p\$ là khả năng thấm tính bằng m/s, \$f_\infty\$ là hệ số thấm nhỏ nhất tại thời điểm \$t = \infty\$ (m/s), và \$f_o\$ là hệ số thấm lớn nhất tại thời điểm \$t = 0\$ (m/s) Thời gian bắt đầu mưa được ký hiệu là \$t\$ (s), và \$a\$ là hệ số suy giảm (1/s) Phương trình này cho thấy khả năng thấm là một hàm số theo thời gian.
Phương trình Horton mô tả mối quan hệ giữa khả năng thấm (f) và cường độ mưa (i) thông qua công thức đơn giản: \$f(t) = f_0 - (f_0 - f_p) \cdot e^{-kt}\$ Trong đó, f: khả năng thấm (m/s) và i: cường độ mưa (m/s) Hai giá trị \$f_0\$ và \$f_p\$ thường lớn hơn cường độ mưa Đặc biệt, giá trị \$f_p\$ sẽ giảm theo cường độ mưa khi mưa xảy ra nhanh chóng.
Hình 1-3: Đường cong thấm theo Horton Để hiệu chỉnh lại vấn đề trên phương trình Horton được viết lại dạng:
Trong đó F: thấm tích lũy tương ứng với thời gian tp, m
Hình 1-4: Mô hình thấm tích lũy
Giá trị thấm tích lũy được mô tả trong hình 1-4 và thông qua f p Phương trình thấm tích lũy chính xác có thể viết dưới dạng:
Và phương trình hoàn chỉnh cảu khả năng thấm tích lũy:
ẩn tp trong phương trình (1-26) không thể giải trực tiếp mà phải giải bằng phương pháp lặp với điều kiện:
Quy trình thấm được thể hiện qua 3 bước sau:
Bước 1: Tại mỗi bước thời gian, giá trị f p phụ thuộc vào F Khả năng thấm trung bình f p , được tính toán cho bước tiếp theo:
LÝ THUYẾT MÔ HÌNH SÓNG ĐỘNG LỰC (HYDRODYNAMIC WAVE)
1.4.1 Các thành phần của mạng lưới thoát nước dưới mô hình sóng động lực(Hydrodynamic wave)
1.4.1.1 Tổng quan các loại đối tượng trên mạng lưới
Mô hình thủy lực sóng động lực mô tả quá trình thủy lực từ khi nước rời khỏi lưu vực, đi vào mạng lưới cống, qua các nút và công trình chia nước, cho đến khi đến trạm xử lý hoặc nguồn tiếp nhận nước.
Mô hình thủy lực sóng động lực là công cụ quan trọng để mô phỏng tình trạng thủy lực của mạng lưới, đặc biệt trong các trường hợp như cống bị chảy ngập, nước chảy ngược và các điều kiện dòng chảy qua các công trình như đập tràn, lỗ chia nước, bơm, hồ chứa nước và triều cường Việc mô phỏng này áp dụng cho các đối tượng như cống, hầm ga, đập tràn, lỗ chia nước, bơm, hồ chứa nước và cửa xả, với các thuộc tính chi tiết được trình bày trong bảng (1-3) và bảng (1-4).
Bảng 1-3: Phân loại các đối tượng trong mạng lưới thoát nước theo mô hình sóng động lực
Bảng 1-4: Thuộc tính các đối tượng thuộc dạng nút và tuyến trong mô hình
1.4.1.2 Khái niệm về hệ thống vận chuyển nước trong mạng lưới
Mô hình thủy lực sóng động lực sử dụng đối tượng tuyến - nút để mô tả hệ thống thoát nước, thể hiện các yếu tố hình học của mạng lưới và các yếu tố thủy lực của dòng chảy không ổn định, dựa trên phương trình Saint-Venant và các công thức toán học.
Hình 1-10: Khái niệm các đối tượng vận chuyển của mô hình sóng động lực
Hệ thống dẫn nước bao gồm các tuyến cống kết nối giữa các nút, với các thuộc tính như hệ số nhám, chiều dài, diện tích mặt cắt ướt, bán kính thủy lực và bề rộng mặt nước Các thuộc tính này giúp xác định chiều sâu dòng chảy, phụ thuộc vào lưu lượng dòng chảy Lưu lượng trong cống được tính là lưu lượng trung bình của mỗi đoạn cống và được coi là hằng số trong mỗi bước lặp Trong khi đó, vận tốc dòng chảy, diện tích mặt cắt ướt và chiều sâu dòng chảy là các biến số quan trọng.
Nút là một đối tượng trong hệ thống thoát nước, với các biến số như thể tích, cao độ mực nước và diện tích bề mặt, tất cả đều phụ thuộc vào cao độ mực nước Quá trình thay đổi thể tích theo thời gian \(\Delta t\) dựa vào cao độ mực nước và lưu lượng tính toán sẽ được trình bày trong các mục tiếp theo.
1.4.2 Sóng động lực (Hydrodynamic wave) cho mạng lưới thoát nước
1.4.2.1 Phương trình sóng động lực (Hydrodynamic wave)
Phương trình sóng động lực
Dòng chảy trong cống kín được mô tả thông qua các phương trình cơ bản khác nhau, bao gồm các phương trình cho dòng chảy biến đổi dần và không ổn định, áp dụng cho kênh.
Phương trình Saint-Venant, hay còn gọi là phương trình dòng không ổn định liên tục, mô tả mối quan hệ giữa diện tích bề mặt và lưu lượng như các biến phụ thuộc Phương trình này được phát triển bởi Yen (1986) và Lai (1986).
Với A = diện tích mặt cắt ngang của dòng chảy
Q = lưu lượng trong cống x = khoảng cách dọc theo cống hoặt kênh t = thời gian
Phương trình động lượng có thể được biểu diễn theo nhiều cách khác nhau tùy thuộc vào biến phụ thuộc được chọn Khi biến phụ thuộc là lưu lượng, Q, và độ cao thủy lực, H (bao gồm cao độ đáy và chiều sâu lớp nước), phương trình động lượng được phát triển bởi Lai vào năm 1986 như sau:
(1-98) với: g = hằng số gia tốc trọng trường,
H = z + h = cao độ mực nước, z = cao độ đáy, h = chiều sâu lớp nước, và
S f = độ dốc ma sát = độ dốc năng lƣợng (Độ dốc đáy cống đã đƣợc lồng vào độ dốc của H)
Sóng động lực trong cống chính là việc áp dụng phương trình động lượng cho các đoạn cống, đồng thời sử dụng phương trình liên tục cho các nút Do đó, động lượng được bảo toàn trong ống và duy trì tính liên tục tại các nút.
Phương trình (1-98) được hiệu chỉnh và thay thế như sau:
49 với: V = vận tốc trung bình trong cống
Thay phương trình (1-100) vào phương trình (1-98):
(1-101) Đây là phương trình động lượng được sử dụng để mô phỏng sóng động lực trong mạng lưới thoát nước với các biến phụ thuộc Q, A, V và H
Phương trình liên tục (1-97) có thể được viết lại bằng cách chuyển biến Q sang Vvà A, với QAV :
(1-102) hoặc, sắp xếp lại và nhân hai vế cho V
Thay phương trình (1-103) vào phương trình (1-101), phương trình sóng động lực trong cống sẽ là:
Phương trình (1-104) có ba cách giải Mỗi cách giải tương ứng với lựa chọn hình thức mức độ phức tạp của mô hình thủy lực
Phương trình (1-105) tương ứng với điều kiện đơn giản dòng chảy biến thiên theo chiều dài dọc cống
Phương trình mô tả đầy đủ yếu tố ảnh hưởng tới dòng chảy trong cống, còn gọi là phương trình sóng động lực như sau:
Kỹ thuật giải phương trình (1-106) sẽ được trình bày tiếp ở các mục tiếp theo
Các phương trình cơ bản của dòng chảy
Sử dụng phương trình sóng động lực và phương trình động lượng kết hợp với phương trình liên tục và phương trình lưu lượng giúp tính toán cho từng đoạn ống theo các bước thời gian.
(1-107) với: Q = lưu lượng trong cống,
V = vận tốc nước chảy trong cống,
A = diện tích mặt cắt ngang dòng chảy,
H = độ cao thủy lực (cao độ đáy cộng với chiều sâu lớp nước trong cống)
S f = độ dốc ma sát Độ dốc ma sát lấy theo phương trình của Manning:
(1-108) với: k = hệ số thực nghiệm, kgn 2 ứng với hệ đơn vị SI n = hệ số nhám theo Manning g = gia tốc trọng trường
Sử dụng giá trị tuyệt đối của V trong phương trình (1-108) để xác định S f, đảm bảo rằng S f luôn dương và lực ma sát luôn ngược chiều với dòng chảy Thay phương trình (1-108) vào (1-97) và khai triển biểu thức dưới dạng sai phân hữu hạn.
Với: t = bước thời gian, và
Giải phương trình (1-109), với thông số cần tìm là Q t t , dùng sai phân hữu hạn thể hiện dạng phương trình sóng động lực trong cống:
Trong phương trình (1-110), các giá trị trung bình của đoạn cống V, R và A được tính đến cuối thời gian t, với thời gian bước trước đó là \(\Delta t\) Các ẩn số trong phương trình bao gồm \(Q_{t+\Delta t}\), \(H_2\) và \(H_1\) Các biến V, R và A có thể được suy ra từ Q và H, do đó cần tìm phương trình thể hiện mối liên hệ giữa Q và H Mối liên hệ này được thể hiện trong phương trình liên tục tại nút của mạng lưới thoát nước.
(1-111) hoặc, được viết dưới dạng sai phân hữu hạn: t t t t t
(1-112) với As = diện tích bề mặt tại nút tại thời điểm t
1.4.2.2 Giải phương trình sóng động lực (Hydrodynamic wave)
Theo phương pháp Ơ le cải tiến (Modified Euler Method)
Phương trình (1-110) và (1-112) được giải liên tiếp để xác định lưu lượng và cao độ mực nước tại mỗi nút theo từng bước thời gian $\Delta t$ Số lần tổ hợp giữa hai phương trình này hoàn thành dựa vào phương pháp Ơ le cải tiến, mang lại kết quả tương đối chính xác khi thực hiện theo các bước trong hình 1-12.
Bước đầu tiên là xác định lưu lượng dựa vào tỷ số \$\frac{\partial Q}{\partial t}\$ tại thời điểm 1/2 bước lặp Tiếp theo, độ dốc sẽ được xác định tại thời điểm \$t + \Delta t/2\$ Cột nước tại các nút sẽ được xác định như đã nêu.
1/2 bước lặp tại nút j: tại thời điểm ( t t 2)
52 1/1 bước lặp tại nút j: tại thời điểm (t t)
(1-114) với: (1) = lưu lượng nước trong cống, dòng chảy tràn bề mặt,
(2) = lưu lượng tại công trình chia nước, hầm bơm, cửa xả
Cao độ mực nước tại nút vào thời điểm 1/2 bước lặp được xác định dựa trên lưu lượng của các đoạn cống kết nối vào nút đó Tương tự, tại thời điểm 1/1 bước lặp, cao độ mực nước cũng được tính toán Đối với các công trình như đập tràn, lỗ chia nước và bơm, lưu lượng vào và ra cũng cần được tính tại cả hai thời điểm 1/2 và 1/1 bước lặp Toàn bộ quá trình tính toán lưu lượng và cao độ mực nước tại nút có thể được tóm tắt một cách rõ ràng.
Hình 1-13: Phương pháp Euler cải tiến xác định lưu lượng dựa theo 1/2 bước,