Nghiên cứu cải tạo và nâng cấp hệ thống thoát nước bền vững thành phố Đông Hà, tỉnh Quảng Trị

Những hệ thống thoát nước trong đô thị nước ta hiện nay đang thể hiện nhiều vấn đề bất cập gây lãng phí về kinh tế, khó khăn về công tác quản lý vận hành, cũng như ảnh hưởng xấu tới môi

CAM K ẾT

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn là do tôi làm Những kết

quả nghiên cứu, thí nghiệm không sao chép từ bất kỳ nguồn thông tin nào khác Nếu

vi phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm, chịu bất kỳ các hình thức kỷ luật nào

của Nhà trường

Tác gi ả

Lê Đắc Vĩnh

M ỤC LỤC

PH ẦN MỞ ĐẦU 1

I Sự cần thiết của đề tài 1

II Mục tiêu nghiên cứu 2

III Nội dung nghiên cứu 2

IV Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

V Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3

VI Kết quả dự kiến đạt được 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ 4

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống thoát nước đô thị 4

1.1.1 Khái niệm về hệ thống thoát nước đô thị 4

1.1.2 Vai trò của hệ thống thoát nước đối với sự phát triển của đô thị 4

1.1.3 Yêu cầu đặt ra cho hệ thống thoát nước đô thị 5

1.2 Các nguyên tắc về mạng lưới thoát nước đô thị 5

1.2.1 Nguyên tắc vạch tuyến mạng lưới 5

1.2.2 Nguyên tắc đặt đường ống thoát nước 5

1.2.3 Lựa chọn vật liệu đường ống, mối nối 6

1.2.4 Độ sâu chôn cống và độ dốc đường ống 6

1.3 Đô thị hóa và vấn đề thoát nước đô thị 6

1.3.1 Khái niệm thủy văn đô thị 6

1.3.2 Đô thị và quá trình đô thị hóa 6

1.3.3 Lưu vực đô thị với vấn đề tiêu thoát nước 7

1.3.4 Khái niệm về dòng chảy đô thị 7

1.4 Các nghiên cứu về giải pháp cho hệ thống thoát nước đô thị 8

1.4.1 Nghiên cứu về thoát nước đô thị trên thế giới 8

1.4.2 Nghiên cứu về thoát nước đô thị ở Việt Nam 9

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 11

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MƯA ĐÔ THỊ 12

2.1 Mưa và mưa thiết kế 12

2.1.1 Đặc trưng của mưa thiết kế 12

2.1.2 Các bước thực hiện khi thiết kế hệ thống thoát nước mưa 13

2.1.3 Quan hệ giữa độ sâu mưa - thời gian mưa - tần suất 13

2.1.4 Quan hệ cường độ mưa - thời gian mưa - tần suất 14

2.1.5 Xác định mô hình mưa thiết kế 15

2.2 Mô hình tính toán, mô phỏng hệ thống thoát nước 18

2.2.1 Giới thiệu mô hình SWMM 19

2.2.2 Các khả năng của mô hình SWMM 19

2.2.3 Các ứng dụng của mô hình 20

2.2.4 Dữ liệu đầu vào 21

2.2.5 Phương pháp tính toán 21

2.3 Phương pháp tính toán thoát nước mưa theo cường độ giới hạn 29

2.3.1 Xác định lưu lượng mưa tính toán 29

2.3.2 Chu kỳ tràn cống 30

2.3.3 Xác định cường độ mưa tính toán 30

2.3.4 Xác định thời gian mưa tính toán 30

2.3.5 Xác định hệ số dòng chảy 31

2.4 Kết luận chương 2 32

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC HIỆN TẠI CỦA THÀNH PHỐ ĐÔNG HÀ, TỈNH QUẢNG

TR Ị 33

3.1 Tổng quan về khu vực nghiên cứu 33

3.1.1 Điều kiện tự nhiên 33

3.1.2 Điều kiện kinh tế xã hội 37

3.2 Thực trạng thoát nước của thành phố Đông Hà 38

3.2.1 Thoát nước mưa 38

3.2.2 Nước thải sinh hoạt 38

3.2.3 Đánh giá hiện trạng thoát nước của khu vực 39

3.3 Đánh giá hiện trạng hệ thống kỹ thuật hạ tầng thành phố đông hà 39

3.3.1 Cơ sở hạ tầng nói chung 39

3.3.2 Thoát nước mặt và tình hình ngập úng 40

3.3.2 Thoát nước thải và vệ sinh môi trường 41

3.4 Định hướng quy hoạch kết cấu hạ tầng thành phố Đông Hà đến năm 2025 41

3.4.1 Kết cấu hạ tầng nói chung 41

3.4.2 Thoát nước mặt 41

3.4.3 Thoát nước thải 42

3.5 Tính toán yêu cầu thoát nước của khu vực thời điểm hiện tại 42

3.5.1 Khu vực tính toán thoát nước 42

3.5.2 Xây dựng đường tần suất mưa 44

3.5.3 Xây dựng mô hình mưa thiết kế 46

3.5.4 Mô phỏng hệ thống thoát nước bằng mô hình SWMM 50

3.6 Đánh giá khả năng làm việc của mạng lưới thoát nước hiện tại 57

3.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thoát nước của khu vực 64

3.7.1 Yếu tố khách quan 64

3.7.2 Yếu tố chủ quan 65

3.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 66

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN VÀ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP CẢI TẠO, NÂNG C ẤP HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC THÀNH PHỐ ĐÔNG HÀ, TỈNH QU ẢNG TRỊ 67

4.1 Tính toán hệ thống thoát nước bằng phương pháp cường độ giới hạn 67

4.1.1 Xác định các thông số tính toán 67

4.1.2 Tính toán thủy lực theo phương pháp cường độ giới hạn 69

4.1.3 Kết quả tính toán theo phương pháp cường độ giới hạn 69

4.2 Tính toán và mô phỏng theo mô hình SWMM 73

4.3 Lựa chọn phương án cải tạo, nâng cấp hệ thống thoát nước 79

4.4 Giải pháp quy hoạch hệ thống thoát nước bền vững 83

4.5 Giải pháp tổ chức, quản lý vận hành và nâng cấp hệ thống thoát nước 86

4.5.1 Giải pháp tổ chức 86

4.5.2 Giải pháp quản lý vận hành hệ thống thoát nước 87

4.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 87

K ẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89

DANH M ỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

PH Ụ LỤC

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Mối quan hệ IDF 15

Hình 2.2: Mô hình mưa thiết kế xây dựng theo phương pháp khối xen kẽ 17

Hình 2.3: Mô hình mưa thiết kế xây dựng theo phương pháp tam giác 17

Hình 2.4: Quan niệm về dòng chảy mặt 22

Hình 2.5: Mô hình nước ngầm hai vùng 23

Hình 3.1: Vị trí thành phố Đông Hà trên bản đồ tỉnh Quảng Trị 34

Hình 3.2: Vị trí khu vực nghiên cứu trên bản đồ thành phố Đông Hà 43

Hình 3.3: Bản đồ khu vực nghiên cứu thoát nước 44

Hình 3.4: Đường tần suất lượng mưa 1 ngày max – trạm Đông Hà 47

Hình 3.5: Đường tần suất lượng mưa 3 ngày max – trạm Đông Hà 48

Hình 3.6: Mô hình mưa thiết kế với trận mưa 72h max 50

Hình 3.7: Giao diện khai báo các thông số mặc định và các tùy chọn 54

Hình 3.8: Giao diện khai báo các thông số cơ bản trong SWMM 55

Hình 3.9: Sơ đồ mô phỏng hệ thống thoát nước khu vực trong mô hình SWMM 56

Hình 3.10: Đường quan hệ về lưu lượng của lưu vực ứng với trận mưa 72h max 57

Hình 3.11: Bản đồ vị trí các nút ngập ứng với trận mưa 72h max 58

Hình 3.12: Mô phỏng diễn biến dòng chảy tuyến 1 từ nút A1 đến nút CX1 61

Hình 3.13: Mô phỏng diễn biến dòng chảy tuyến 2 từ nút B2 đến nút B9 61

Hình 3.14: Mô phỏng diễn biến dòng chảy tuyến 6 từ nút D3 đến nút CX2 62

Hình 3.15: Mô phỏng diễn biến dòng chảy tuyến 11 từ nút F5 đến nút F7 62

Hình 3.16: Mô phỏng diễn biến dòng chảy tuyến 8-11 từ nút E4 đến nút F8 63

Hình 3.17: Mô phỏng diễn biến dòng chảy tuyến 9-11 từ nút E6 đến nút F8 63

Hình 4.1: Đường quan hệ lưu lượng với trận mưa 72h max kiểm định hệ thống 75

Hình 4.2: Mô phỏng diễn biến dòng chảy tuyến 1 từ nút A1 đến nút CX1 76

Hình 4.3: Mô phỏng diễn biến dòng chảy tuyến 2 từ nút B2 đến nút B9 77

Hình 4.4: Mô phỏng diễn biến dòng chảy tuyến 6 từ nút D3 đến nút CX2 77

Hình 4.5: Mô phỏng diễn biến dòng chảy tuyến 11 từ nút F5 đến nút F7 78

Hình 4.6: Mô phỏng diễn biến dòng chảy tuyến 8-11 từ nút E4 đến nút F8 78

Hình 4.7: Mô phỏng diễn biến dòng chảy tuyến 9-11 từ nút E6 đến nút F8 79

DANH M ỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Giá trị tham số của đường DDF 14

Bảng 3.1: Thống kê lượng mưa 1 ngày max và 3 ngày max – trạm Đông Hà 44

Bảng 3.2: Tần suất lượng mưa 1 ngày max – trạm Đông Hà 45

Bảng 3.3: Tần suất lượng mưa 3 ngày max – trạm Đông Hà 45

Bảng 3.4: Quan hệ lượng mưa – thời gian theo tần suất mưa 10% 49

Bảng 3.5: Bảng thống kê diện tích các tiểu khu 52

Bảng 3.6: Bảng thống kê tuyến cống hiện trạng 53

Bảng 3.7: Bảng kết quả các nút ngập 59

Bảng 3.8: Bảng thống kê thời gian ngập đầy các đoạn cống 60

Bảng 4.1: Các thông số khí hậu cho tỉnh Quảng Trị 68

Bảng 4.2: Hệ số dòng chảy 68

Bảng 4.3: Thống kê tuyến cống ngập theo phương pháp cường độ giới hạn 70

Bảng 4.4: Tổng hợp chiều dài các tuyến cống làm lại theo phương pháp cường độ giới hạn 72

Bảng 4.5: Bảng thống kê tuyến cống ngập và đề xuất cải tạo nâng cấp 73

Bảng 4.6: Tổng hợp chiều dài các tuyến cống làm lại theo mô hình SWMM 75

Bảng 4.7: So sánh kết quả của phương pháp cường độ giới hạn và SWMM 80

Bảng 4.8: So sánh tổng chiều dài cống cần thay theo phương pháp cường độ giới hạn và SWMM 82

PHẦN MỞ ĐẦU

I S Ự CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Thoát nước và xử lý nước thải, vệ sinh môi trường là những nội dung quan trọng trong quy hoạch, xây dựng và quản lý đô thị Tại các khu vực đang đối mặt với tình trạng hạ tầng kém phát triển, môi trường bị ô nhiễm do nước thải, tình hình ngập úng diễn ra thường xuyên, gây ảnh hưởng đến hoạt động của đô thị thì người

ta lại càng thấy tầm quan trọng của lĩnh vực này

Những hệ thống thoát nước trong đô thị nước ta hiện nay đang thể hiện nhiều vấn đề bất cập gây lãng phí về kinh tế, khó khăn về công tác quản lý vận hành, cũng như ảnh hưởng xấu tới môi trường sinh thái; một số biểu hiện cụ thể như: hệ thống

hạ tầng kỹ thuật nói chung chưa hoàn thiện, mạng lưới thu dẫn nước mưa và nước thải sinh hoạt chưa phát huy hết tác dụng, nhiều khu vực đường ống không có nước chảy qua, cũng có khá nhiều nơi bị ngập úng khi xảy ra mưa lớn, tỷ lệ rò rỉ nước và thấm vào đất còn khá cao gây mùi hôi thối, ảnh hưởng mỹ quan đô thị, một số công trình được xây dựng nhưng không thể đi vào hoạt động, nhiều khu vực hệ thống thu gom nước đã xuống cấp không còn khả năng hoạt động, tình trạng nước thải không qua xử lý đổ trực tiếp ra sông hồ còn rất phổ biến… Ngoài ra, do tình hình diễn biến phức tạp của thời tiết hiện nay, lượng mưa bão đổ bộ vào đất liền nước ta ngày càng nhiều cũng gây ảnh hưởng rất lớn đến khả năng thu gom và tiêu thoát nước của đô thị, đặc biệt là các đô thị đang có hệ thống thoát nước chưa hoàn thiện

Đối với các khu đô thị, các điểm dân cư mới, chất lượng hệ thống hạ tầng kỹ thuật, trong đó có thoát nước mưa, nước thải, cũng có đa phần quyết định tính văn minh đô thị, góp phần tạo hấp dẫn đối với khách hàng, cũng như quyết định đến sự phát triển bền vững về môi trường của đô thị về lâu dài Vì vậy cần phải đưa ra các giải pháp cụ thể, phải có các giải pháp đồng bộ về các vấn đề hạ tầng kỹ thuật và mang tính khả thi cao để khắc phục được những nhược điểm còn tồn tại nêu trên, đó

là các giải pháp về chuẩn bị kỹ thuật, quy hoạch hạ tầng kỹ thuật, tính toán cải tạo

nâng cấp hệ thống hạ tầng nói chung và hệ thống thoát nước nói riêng của các đô thị, hướng đến bảo vệ môi trường cũng như sử dụng nguồn vốn đầu tư một cách hiệu quả nhất Các giải pháp phải được xây dựng trên cơ sở dự báo ngắn và dài hạn

về phát triển đô thị, phù hợp với điều kiện kinh tế xã hội của địa phương trong hiện tại và tương lai

Đông Hà là thành phố trực thuộc tỉnh Quảng Trị, với hệ thống cơ sở hạ tầng

phát triển chưa hoàn toàn đồng bộ và bộ máy quản lý còn non trẻ, hiện cũng đang gặp phải những vấn đề khó khăn như các đô thị khác trong nước, đặc biệt là hệ thống thoát nước của thành phố đang tồn tại nhiều tiêu cực gây ảnh hưởng không nhỏ đến đời sống người dân cũng như mỹ quan, môi trường của đô thị Vậy nên cần xem xét, nghiên cứu tính toán thiết kế cải tạo hệ thống thoát nước của khu vực để đảm bảo khả năng thoát nước, không gây ô nhiễm môi trường, góp phần phát triển

đô thị một cách bền vững

Chính vì vậy, đề tài nghiên cứu "Nghiên cứu cải tạo và nâng cấp hệ thống thoát nước bền vững thành phố Đông Hà, tỉnh Quảng Trị " là rất cần thiết và mang

tính thực tiễn hiện nay

II M ỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu các bài toán và đưa ra giải pháp nâng cao hiệu quả cho hệ thống thoát nước thành phố, đảm bảo chức năng thoát nước của hệ thống

- Đề xuất giải pháp thoát nước mang tính bền vững cho thành phố

III N ỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Thu thập tài liệu và đánh giá khả năng làm việc của hệ thống thoát nước của thành phố

- Phân tích, tính toán các bài toán về hệ thống thoát nước dựa trên cơ sở khoa học và thực tiễn, nâng cao khả năng phục vụ của hệ thống hạ tầng kỹ thuật của thành phố

- Phân tích và lựa chọn các giải pháp cụ thể nhằm khắc phục và nâng cao tính hiệu quả của hệ thống thoát nước thành phố

IV ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống thoát nước của thành phố Đông Hà

- Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống thoát nước chính, các công trình quan trọng trong hệ thống thoát nước thành phố Đông Hà

V C ÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

+ Cách tiếp cận:

- Theo quan điểm hệ thống

- Theo quan điểm thực tiễn và tổng hợp đa mục tiêu

- Theo quan điểm bền vững

+ Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp thu thập số liệu

- Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa

- Phương pháp kế thừa các đề tài và nghiên cứu về giải pháp thoát nước cho các đô thị Việt Nam

- Phương pháp tính toán tối ưu hóa hệ thống thoát nước đô thị

- Phương pháp thống kê và xử lý dữ liệu

- Phương pháp mô hình toán (sử dụng phần mềm SWMM)

VI K ẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC

+ Đánh giá hiệu quả tiêu thoát nước hiện tại của hệ thống thoát nước thành phố Đông Hà

+ Kiến nghị về các giải pháp nâng cao khả năng phục vụ của hệ thống thoát nước thành phố Đông Hà Tạo tiền đề cho việc mở rộng hệ thống thoát nước về sau

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ

1.1.1 Khái niệm về hệ thống thoát nước đô thị

Hệ thống thoát nước đô thị là tổ hợp những công trình, thiết bị và các giải pháp

kỹ thuật để thực hiện nhiệm vụ thoát nước cho đô thị

Các hệ thống thoát nước đô thị:

+ Hệ thống thoát nước chung: Là hệ thống mà tất cả các loại nước thải (sinh hoạt, sản xuất, nước mưa) được xả chung vào một mạng lưới và dẫn đến công trình làm sạch

+ Hệ thống thoát nước riêng: là hệ thống có hai hay nhiều mạng lưới đường ống riêng để dẫn từng loại nước thải khác nhau đến công trình làm sạch Theo cấu tạo hệ thống thoát nước riêng có thể phân thành các loại sau: Hệ thống riêng hoàn toàn; Hệ thống riêng không hoàn toàn; Hệ thống riêng một nửa

+ Hệ thống thoát nước hỗn hợp: Là tổng hợp của các hệ thống trên Hệ thống này thường gặp ở các thành phố lớn, đã có hệ thống thoát nước chung nay cần cải tạo và mở rộng thì phải xây thêm các công trình phục vụ cho mạng lưới thoát nước

1.1.2 Vai trò của hệ thống thoát nước đối với sự phát triển của đô thị

Một đô thị hiện đại là đô thị phải có hệ thống cơ sở hạ tầng đáp ứng được nhu

cầu phát triển của đô thị đó, và hệ thống thoát nước đóng một vai trò rất quan trọng trong toàn bộ hệ thống cơ sở hạ tầng kỹ thuật đó Đối với những đô thị có địa hình phức tạp, khả năng tiêu thoát nước tự chảy kém thì vai trò của nó lại càng được đẩy lên cao hơn

Với tốc độ đô thị hóa ngày càng cao trên nền của hệ thống hạ tầng xây dựng không đồng bộ, còn nhiều chắp vá thì tất yếu sẽ dẫn đến khả năng đáp ứng nhu cầu

thoát nước của hệ thống cho đô thị ngày càng bị giảm sút Và đến đây, người ta phải tìm cách nâng cấp cải tạo lại hệ thống nhằm khắc phục những hạn chế hiện có để đảm bảo yêu cầu thoát nước

1.1.3 Yêu cầu đặt ra cho hệ thống thoát nước đô thị

Hệ thống thoát nước của đô thị phải đảm bảo được khả năng phục vụ tiêu thoát nước nhanh chóng trong mọi điều kiện thời tiết, không để cho bất cứ khu vực nào

của đô thị bị ngập úng, cũng như không làm ảnh hưởng xấu đến môi trường và cảnh quan của đô thị

Ngoài ra, hệ thống phải đảm bảo yêu cầu về kinh tế, không gây lãng phí đầu tư cũng như yêu cầu về công tác quản lý vận hành

1.2 CÁC NGUYÊN TẮC VỀ MẠNG LƯỚI THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ

1.2.1 Nguyên tắc vạch tuyến mạng lưới

+ Nguyên tắc tự chảy Dựa theo địa hình, trường hợp cần thiết mới xây trạm bơm + Vạch tuyến theo đường ngắn nhất mà diện tích phục vụ lớn nhất

+ Giảm thiểu các công trình giao tiếp (với đường xá, sông hồ, công trình ngầm…) + Bố trí cống dọc theo đường phố, trong vỉa hè hay dọc theo mép đường hoặc

có thể bố trí chung trong đường hầm kỹ thuật Khoảng cách bố trí với các công trình phải đảm bảo an toàn theo quy định

+ Đường ống góp chính phải đổ về công trình làm sạch và cửa xả nước vào nguồn

1.2.2 Nguyên tắc đặt đường ống thoát nước

+ Các đoạn ống nằm ngoài phố bao bọc xung quanh tất cả các mặt, phần lưu lượng do diện tích nghiêng về phía nào thì đoạn ống nằm ở phía đó

+ Các ống cống đặt ở phần thấp nhất của ô phố

+ Các ống cống đặt xuyên qua các ô phố, kéo dài và xuyên qua ô phố khác

+ Lợi dụng địa hình để đặt ống theo chiều nước chảy, tránh dùng nhiều trạm bơm chuyển tiếp

1.2.3 Lựa chọn vật liệu đường ống, mối nối

+ Các loại vật liệu dùng xây dựng mạng lưới thoát nước: chắc, không thấm nước, bền để chống ăn mòn và sự mài mòn, trơn để giảm sức cản thủy lực và giá thành rẻ

+ Các loại vật liệu như: Ống sành, ống bê tông – bê tông cốt thép, ống phibrôximăng, ống gang, thép

1.2.4 Độ sâu chôn cống và độ dốc đường ống

+ Độ sâu chôn cống phụ thuộc vào phương pháp thi công, vào vật liệu ống, điều kiện địa chất, đại chất thủy văn và các điều kiện kinh tế kỹ thuật khác

+ Độ dốc đường ống chọn trên cơ sở đảm bảo độ dốc tối thiểu, ngoài ra còn phụ thuộc đường kính ống Nên bố trí cống dọc theo độ dốc đường để hạn chế chiều sâu đào cống

1.3 ĐÔ THỊ HÓA VÀ VẤN ĐỀ THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ

1.3.1 Khái niệm thủy văn đô thị

Thủy văn đô thị là một bộ phận của thủy văn học chuyên nghiên cứu những quy luật vận động của nước trên các lưu vực đô thị (cả về số lượng và chất lượng) Trong vấn đề thoát nước, thủy văn đô thị chủ yếu nghiên cứu các quy luật hình thành dòng chảy từ mưa phục vụ cho tính toán quy hoạch, thiết kế và điều hành các

hệ thống tiêu thoát nước trên các lưu vực đô thị Để có thể xây dựng được hệ thống thoát nước đảm bảo yêu cầu thì thủy văn đô thị đóng một vai trò rất quan trọng

1.3.2 Đô thị và quá trình đô thị hóa

Trong vài thế kỷ gần đây, sản xuất xã hội nói chung, sản xuất công nghiệp nói riêng được cuộc cánh mạng khoa học kỹ thuật tiếp sức đã làm cho quá trình đô thị hoá phát triển với tốc độ chưa từng có

Quá trình đô thị hóa phát triển, nhiều quy luật của tự nhiên, môi trường trên lưu vực đô thị như chu trình khí tượng thủy văn bị biến dạng không ngừng và ngày càng thêm sâu sắc

Quá trình đô thị hoá sẽ làm tăng trưởng kinh tế, văn hoá xã hội, khoa học của

một vùng miền, nhưng cũng để lại những tồn tại không tốt có thể ảnh hưởng trực

tiếp tới môi trường sống của vùng đó Vì vậy, cần phải xem xét nghiên cứu toàn bộ các khía cạnh và có hệ thống, đặc biệt là các yếu tố về thủy văn, môi trường trước khi thực hiện đô thị hoá

1.3.3 Lưu vực đô thị với vấn đề tiêu thoát nước

Lưu vực đô thị là nơi chịu sự tác động rất mạnh mẽ của con người Những hoạt động có mục đích của con người đã làm thay đổi sâu sắc chế độ dòng chảy trên các lưu vực đô thị

Do yêu cầu tiêu thoát nước đối với đô thị khá cao: thời gian tiêu nhanh, tiêu trong mọi điều kiện, ở mọi nơi trong thành phố; đảm bảo vệ sinh môi trường, quản

lý hệ thống hợp lý Vì vậy lượng nước cần tiêu, lượng chất cần xử lý đòi hỏi phải xác định chuẩn xác đối với mọi vùng trên lưu vực Vì lý do đó, phương pháp sử

dụng trong các bài toán tiêu nước đô thị phải dựa trên quan điểm hệ thống, toàn thể

1.3.4 Khái niệm về dòng chảy đô thị

Nước mưa rơi xuống lưu vực, một phần chảy trên mặt đất (dòng chảy mặt),

một phần ngấm xuống đất rồi tập trung thành mạch nước ngầm (dòng chảy ngầm)

chảy vào sông, sau đó chảy qua mặt cắt cửa ra của lưu vực gọi là dòng chảy sông ngòi

Theo nguồn gốc của dòng chảy, người ta chia ra dòng chảy mặt và dòng chảy

ngầm Dòng chảy mặt hình thành trên bề mặt lưu vực sinh ra do mưa hoặc tuyết tan

và tập trung về tuyến cửa ra Dòng chảy ngầm do nước dưới đất cung cấp

Với thoát nước đô thị, chủ yếu chỉ nghiên cứu về dòng chảy mặt

1.4 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ GIẢI PHÁP CHO HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC

ĐÔ THỊ

1.4.1 N ghiên cứu về thoát nước đô thị trên thế giới

Dân số thế giới sống trong các thành phố lớn ngày càng tăng nhanh Đáp ứng nhu cầu đó, diện tích đất đô thị cũng ngày càng gia tăng, trong khi đó cơ sở hạ tầng

về cấp thoát nước cho đô thị không đáp ứng kịp thời Hiện nay trên thế giới nhiều thành phố lớn vẫn đang bị úng ngập và lũ lụt đe dọa

Các chuyên gia về quy hoạch và thoát nước đô thị trên thế giới đã từ hơn 30 năm nhận ra rằng cách tốt nhất để đương đầu với ngập lụt trong đô thị không phải là xây thêm trạm bơm, đắp thêm đê hay lắp đặt thêm cống mà chúng ta cần thêm không gian cho nước Đó là giải pháp bền vững hơn khi không làm biến đổi dòng

chảy đột ngột như xây đập, đắp đê hay tôn nền công trình Gia tăng không gian cho

mặt nước và cây xanh tự nhiên không chỉ làm giảm nguy cơ ngập lụt mà còn tạo

cảnh quan cho đô thị

Gần đây Ngân hàng thế giới đã nghiên cứu và đưa ra cuốn cẩm nang “Hướng

dẫn quản lý tổng hợp rủi ro ngập lụt đô thị trong thế kỷ 21” Theo cẩm nang này,

giải pháp hiệu quả nhất để quản lý nguy cơ lũ lụt là áp dụng phương pháp tiếp cận

tổng hợp, trong đó kết hợp cả hai biện pháp cấu trúc và phi cấu trúc, bao gồm xây

dựng hệ thống kênh thoát nước và dẫn lũ; kết hợp “đô thị xanh” như đất ngập nước

và vùng đệm môi trường; xây dựng hệ thống cảnh báo lũ lụt; quy hoạch sử dụng đất

để chống ngập lụt

Đại học Quốc gia Singapore (NUS) với ý tưởng nghiên cứu: áp dụng các bề

mặt thẩm thấu cho những con đường nhỏ và vỉa hè nhằm ngăn chặn tình trạng lũ lụt

cục bộ tại đô thị bằng cách làm chậm lại dòng nước đổ vào cống rãnh sau mưa lớn

Những bề mặt thẩm thấu có một lớp bêtông rỗ và một lớp sỏi Khoảng 30-40% khoảng trống giữa lớp bê tông và sỏi này được dùng để tích nước, sau đó nước sẽ

chảy qua một lớp vải thẩm thấu trước khi được xả qua những đường nhỏ đổ vào

cống Toàn bộ quá trình này có thể giúp trữ số nước mưa đổ xuống trong vài giờ

1.4.2 N ghiên cứu về thoát nước đô thị ở Việt Nam

Nước ta nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa ẩm ướt với lượng mưa trung bình 1000 - 2000 mm/năm Lượng mưa tập trung hầu hết vào các tháng mùa mưa

với cường độ mưa lớn và có sự biến động mạng theo không gian, nguyên nhân gây

ra là do bão, áp thấp nhiệt đới, dông…

Cũng như các đô thị khác trên thế giới, các đô thị ở Việt Nam phát triển mạnh, dân số tăng nhanh; đặc biệt là sau ngày đất nước thống nhất Nhu cầu về nhà ở của các thành phố đã trở thành vấn đề lớn của xã hội Sự cơi nới, mở rộng tự phát, lấn chiếm đất đai, các hệ thống dẫn nước có nhiều đoạn bị thu hẹp, hồ ao bị san lấp Bên cạnh đó, hệ thống tiêu thoát nước đã được xây dựng từ lâu, nhiều đoạn không còn giá trị sử dụng, quản lý vận hành yếu, thiếu kinh phí tu bổ… làm cho hiện tượng úng ngập thường xuyên xảy ra khi mùa mưa đến

Với nhiều thành tựu của công cuộc đổi mới, mạng lưới các đô thị của Việt Nam đang ngày càng được phát triển mở rộng và thực sự trở thành động lực chính thúc đẩy phát triển kinh tế Diện mạo đô thị có nhiều thay đổi theo hướng văn minh,

hiện đại, đã tạo dựng được những không gian đô thị mới, từng bước đáp ứng nhu

cầu về môi trường sống và làm việc có chất lượng Cũng như các đô thị khác trên

thế giới, sự phát triển đô thị tại Việt Nam cũng đang bộc lộ nhiều hạn chế và yếu kém về hạ tầng kỹ thuật và ô nhiễm môi trường

Nhiều công trình hạ tầng kỹ thuật nói chung đang ở tình trạng xuống cấp, việc đầu tư xây dựng mới còn chậm và chưa đáp ứng nhu cầu Hệ thống thoát nước của các đô thị tại Việt Nam thường chung cho tất cả các loại nước thải, nước mưa, hệ

thống này hầu hết được xây dựng qua nhiều thời kỳ khác nhau, chất lượng quy

hoạch còn chưa cao, chưa hoàn chỉnh, thiếu đồng bộ trong đó có nhiều tuyến cống

xuống cấp nên khả năng tiêu thoát nước thấp Nước thải hầu như chưa được xử lý

xả thẳng vào nguồn tiếp nhận

Trong những năm gần đây đặc biệt là các đô thị lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Cần Thơ… người dân luôn phải đối mặt với tình trạng úng

ngập khi gặp những trận mưa lớn, hoặc nước thuỷ triều dâng

Ngập úng đô thị không chỉ do nguyên nhân đô thị hóa mà sự ảnh hưởng của

biến đổi khí hậu Các thiên tai như hạn hán, bão, lũ lụt xảy ra thường xuyên Đa số các thành phố lớn và khu công nghiệp lớn đều tập trung ở vùng đồng bằng trũng

thấp, khu vực ven biển Đây là những khu vực rất dể bị tổn thương do biến đổi khí

hậu (BĐKH) gây ra Sự phát triển đô thị cũng đang đối mặt với nhiều thách thức mang tính toàn cầu về kinh tế, môi trường, năng lượng và đặc biệt là tác động của BĐKH gây ra

Ở Việt nam, đến nay đã có một số nghiên cứu về tác động của BĐKH hoặc quá trình đô thị hóa đến tiêu thoát nước như:

- Nghiên c ứu “BĐKH châu Á: Nghiên cứu cho Việt Nam” do Viện Quy hoạch

Thủy lợi chủ trì thực hiện năm 1994 đã có đánh giá bước đầu tác động của BĐKH

tới nguồn nước, các vùng ven biển ở Việt Nam và đề xuất các biện pháp thích ứng,

giảm thiểu tác hại cho các ngành kinh tế khác nhau

- Tài liệu“Thoát nước đô thị bền vững” của PGS TS Nguyễn Việt Anh,

trường Đại học Xây dựng Tác giả đưa ra các phương thức tiếp cận và mô hình thoát nước cho các đô thị Việt Nam Từ đó đề xuất tổ chức thoát nước cho các đô

thị Việt Nam và đưa ra mộ số mô hình quản lý nước đô thị

* Gi ải pháp thoát nước bền vững đã được áp dụng tại Việt Nam:

Cách tiếp cận của thoát nước mưa bền vững là thoát chậm, không phải thoát nhanh, tránh lượng mưa tập trung lớn tại một điểm của hệ thống thoát nước trong

thời gian ngắn Tiết diện cống sẽ khó thể đáp ứng nếu lượng mưa lớn, tốn kém mà nước vẫn tràn cống, gây ngập đường, lụt nhà Vì vậy, phải tổ chức thoát nước mưa,

kết hợp các biện pháp khác nhau một cách đồng bộ, sao cho dòng chảy được tập trung chậm khi vào hệ thống thoát nước mà không gây ngập Sử dụng hồ điều hòa trên diện tích thu gom và truyền dẫn nước mưa để lưu giữ nước mưa là một cách làm phổ biến Bên cạnh đó, sử dụng bản thân diện tích bề mặt của thành phố, tăng cường cho việc nước thấm tự nhiên xuống đất qua các thảm cỏ xanh, đồng thời tạo

cảnh quan và điều hòa tiểu khí hậu

Song song với các nghiên cứu về tác động của biến đổi khí hậu là các nghiên cứu về giải pháp nâng cao chất lượng phục vụ của hệ thống thoát nước của các đô thị đang phát triển hiện nay Với một số công trình nghiên cứu như:

- Luận án tiến sĩ kỹ thuật “Xác định phương pháp tính toán thoát nước mưa

đô thị trong điều kiện Việt Nam” của Trần Hữu Uyển, Trường Đại học Xây dựng

- Luận án tiến sĩ kỹ thuật “Nghiên cứu mô hình mưa tối ưu cho vùng bao gồm

c ả đô thị và nông nghiệp của Bắc bộ Việt Nam” của Nguyễn Tuấn Anh, Trường Đại

học Thủy Lợi

- Luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu cơ sở khoa học của việc tiêu nước cho những vùng đang diễn ra quá trình đô thị hoá” của ThS Đặng Minh Hải, người hướng

dẫn khoa học PGS.TS Dương Thanh Lượng Luận văn đã nghiên cứu cơ sở khoa

học tính toán hệ số tiêu cho các vùng đang diễn ra quá trình đô thị hóa, sử dụng mô hình SWMM mô phỏng ảnh hưởng của quá trình đô thị hóa tới hệ số tiêu đô thị

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Trước sự biển đổi ngày càng khó lường của khí hậu, sự phát triển mạnh mẽ của đô thị hóa, cùng với hệ thống thoát nước được xây dựng không đồng bộ của đô thị, khiến cho việc tiêu thoát nước trở nên khó khăn hơn rất nhiều Giải quyết vấn

đề thoát nước cho đô thị là một trong những yêu cầu cấp bách hiện nay đối với tất

cả các thành phố lớn, vừa và nhỏ Cần phải áp dụng các phương pháp tính toán phù hợp để tìm ra giải pháp nhằm nâng cao khả năng phục vụ của hệ thống thoát nước, đảm bảo cho đô thị không bị các vấn đề về ngập lụt ảnh hưởng đến quá trình phát triển cũng như không làm ảnh hưởng đến đời sống xã hội của người dân và bền vững cho môi trường Các phương pháp tính toán sẽ được giới thiệu trong chương 2 của luận văn này

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN HỆ THỐNG

THOÁT NƯỚC MƯA ĐÔ THỊ

Để có thể tính toán được hệ thống thoát nước mưa cho đô thị, tác giả dựa vào các cơ

sở lý thuyết như sau:

+ Số liệu thu thập, xây dựng mô hình mưa thiết kế cho khu vực

+ Tính toán hệ thống thoát nước theo phương pháp mô phỏng hệ thống bằng mô hình SWMM

+ Tính toán hệ thống thoát nước bằng phương pháp cường độ giới hạn

2.1 MƯA VÀ MƯA THIẾT KẾ

Một trận mưa rào tại một vị trí được đặc trưng bởi:

+ Thời gian mưa (phút, ngày, giờ)

+ Tổng lượng mưa (mm)

+ Phân bố mưa theo thời gian

Dùng thiết bị đo mưa tự ghi để đo quá trình một trận mưa thực

2.1.1 Đặc trưng của mưa thiết kế

+ Chu kỳ lặp lại thiết kế (tần suất mưa)

+ Thời gian mưa (phút, ngày, giờ)

+ Độ sâu mưa (lượng mưa, mm)

+ Biểu đồ quá trình mưa hay phân bố theo thời gian của mưa

Mưa thiết kế có thể tính toán dựa trên cơ sở các số liệu đo đạc về mưa trong nhiều năm tại một địa điểm

2.1.2 Các bước thực hiện khi thiết kế hệ thống thoát nước mưa

+ Bước 1: Xác định lưu lượng thiết kế cống theo công thức cường độ giới hạn,

từ đó sơ bộ chọn đường kính, độ dốc, cao trình đặt cống…

+ Bước 2: Mô phỏng quá trình mưa và dòng chảy để kiểm tra hệ thống (sử

dụng trận mưa thiết kế làm thông số đầu vào và sử dụng một mô hình tính toán mưa – dòng chảy) Nếu hệ thống không đạt yêu cầu thì điều chỉnh lại đường kính, độ

dốc, cao trình đáy cống,… và lặp lại cho đến khi đạt yêu cầu

2.1.3 Quan hệ giữa độ sâu mưa - thời gian mưa - tần suất

Quan hệ giữa độ sâu mưa - thời gian mưa - tần suất (Depth - Duration - Frequency) được viết tắt là DDF

+ Quan hệ DDF thông thường được biểu diễn dưới dạng đồ thị, trong đó thời gian mưa được đặt trên trục hoành, độ sâu mưa đặt trên trục tung và các đường cong tương ứng với tần suất (thời kỳ xuất hiện lại)

+ Để xây dựng quan hệ DDF, ta thực hiện các bước sau:

- Đối với mỗi thời gian mưa, ta tiến hành phân tích tần suất để tính các độ sâu mưa thiết kế ứng với các chu kỳ lặp lại khác nhau

- Sử dụng phương pháp phân tích hồi quy sẽ xây dựng được quan hệ độ sâu mưa và thời gian mưa ứng với từng tần suất (chu kỳ lặp lại)

Bằng phương pháp hồi quy, có thể xây dựng quan hệ DDF dưới dạng công

thức sau:

H = f(d, T) (Độ sâu mưa = hàm số của thời gian mưa và chu kỳ lặp lại)

Dựa trên số liệu đo mưa, tác giả Nguyễn Tuấn Anh (2009) đã nghiên cứu xây

dựng quan hệ DDF cho 06 vùng ở đồng bằng Bắc Bộ như sau:

Trong đó:

Hd(T) = Lượng mưa (mm)

D = thời gian mưa (giờ)

T = Chu kì lặp lại (năm)

b1, c1, b2, c2, e1, f1, e2, f2, a, b là các tham số được cho trong bảng 2.1

Bảng 2.1: Giá trị tham số của đường DDF

2.1.4 Quan hệ cường độ mưa - thời gian mưa - tần suất

Quan hệ cường độ mưa - thời gian mưa - tần suất (Intensity - Duration – Frequency) được viết tắt là IDF

Các độ sâu mưa thiết kế được chuyển thành cường độ mưa theo công thức sau:

i = h/d = A/dn (mm/h) Quan hệ IDF có dạng như hình sau:

Hình 2.1: Mối quan hệ IDF

2.1.5 Xác định mô hình mưa thiết kế

Mô hình mưa thiết kế (MHMTK) là quá trình mưa phân bố theo thời gian Một số phương pháp xác định MHMTK điển hình như sau:

a Xác định mô hình mưa thiết kế dựa trên trận mưa điển hình

Phương pháp này dựa trên quan điểm mưa các thời khoảng dài có chứa mưa

thời khoảng ngắn

Chọn mô hình mưa điển hình theo các yêu cầu sau:

+ Trận mưa lớn đã xảy ra gây ngập úng lớn trong thực tế, đại biểu cho một nguyên nhân gây mưa úng nhất định trong khu vực

+ Có thời gian mưa hiệu quả bằng hoặc xấp xỉ thời gian mưa tính toán

+ Có lượng mưa toàn trận bằng hoặc xấp xỉ lượng mưa trong thời khoảng

khống chế ứng với tần suất thiết kế

Thu phóng mô hình mưa điển hình thành mô hình mưa tiêu thiết kế bằng cách nhân các giá trị tung độ của mô hình mưa điển hình với hệ số thu phóng K, xác định theo công thức sau:

K=Xp/Xđh

Trong đó: Xp: Lượng mưa thiết kế với tần suất P

Xđh: Lượng mưa của trận mưa điển hình

b Phương pháp khối xen kẽ

Phương pháp này được đề xuất bởi Chow (1988)

+ Mô hình mưa thiết kế được xác định từ một đường cong quan hệ IDF hoặc quan hệ DDF

+ Mô hình mưa này được đặc trưng bởi độ sâu mưa xuất hiện trong n khoảng

thời gian kế tiếp nhau trên tổng thời gian mưa: Td = n*Δt

Các bước xây dựng mô hình mưa thiết kế:

+ Sau khi lựa chọn chu kì xuất hiện lại trận mưa thiết kế, ta đọc cường độ mưa

i cho mỗi thời gian mưa Δt, 2Δt, 3Δt…từ một đường IDF tương ứng với chu kỳ xuất

hiện lại đã chọn và tính độ sâu mưa tích lũy (h) bằng cách nhân cường độ mưa với

thời gian mưa (h = i*t)

+ Lấy hiệu số giữa hai giá trị liên tiếp của độ sâu mưa lũy tích, ta sẽ tính được

độ sâu mưa thiết kế ứng với mỗi Δt và được gọi là các khối: (h(n* Δt)-h((n-1) Δt) + Các khối được sắp xếp với cường độ mưa lớn nhất được xếp ở giữa hoặc ở

thời gian xuất hiện đỉnh, các khối còn lại được sắp xếp theo thứ tự giảm dần và được chia đều ở bên phải và bên trái của khối trung tâm

Hình 2.2: Mô hình mưa thiết kế xây dựng theo phương pháp khối xen kẽ

c Phương pháp mô hình mưa tam giác

Phương pháp này được đề xuất bởi Yen và Chow (1980)

Với mô hình mưa tam giác có cạnh đáy là thời gian mưa Td, chiều cao h là cường độ mưa Khi biết độ sâu mưa P và thời gian mưa Td ta xác định được cường

độ mưa là chiều cao h

Hình 2.3: Mô hình mưa thiết kế xây dựng theo phương pháp tam giác

Hệ số rước đỉnh r, là tỉ số của thời gian xuất hiện đỉnh mưa (ta) so với tổng

thời gian mưa (Td)

Giá trị thích hợp của r được xác đinh bằng cách tính toán tỷ số của thời gian

xuất hiện đỉnh so với tổng thời gian mưa của nhiều trận mưa thực đo với thời gian mưa khác nhau và lấy giá trị trung bình theo trọng số thời gian mưa của các tỷ số

đó

2.2 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN, M Ô PHỎNG HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC Ngày nay việc phát triển ngành công nghệ thông tin với sự trợ giúp của máy tính điện tử thì việc tính toán tiêu thoát nước trở lên đơn giản hơn với những mô hình toán hiện đại mô phỏng hệ thống thoát nước đô thị Mô hình không những có

thể xác định được lưu lượng đỉnh mà còn xác định được tổng lưu lượng dòng chảy Trong những năm gần đây, các dự án tiêu thoát nước của các thành phố lớn như Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng mô hình toán hiện đại đã được

áp dụng trong nghiên cứu tính toán tiêu thoát nước

Mộ số mô hình tính toán tiêu thoát nước mưa đô thị như: mô hình MOUSE,

mô hình HYDROWORKS, mô hình SWMM…

Các mô hình đều có khả năng kiểm tra hoặc thiết kế hệ thống tiêu thoát nước Tuy nhiên các mô hình lại có những nhược điểm (mô hình MOUSE - Modelling of Urban Sewers) :

+ Phần mềm tương thích với GIS

+ Yêu cầu cơ sở dữ liệu cao, chính xác

+ Không mô phỏng được tuyến cống ghép đôi, chạy song song

+ Có bản quyền, mua mất rất nhiều tiền

Trong khi mô hình SWMM lại yêu cầu số liệu đầu vào đơn giản, dễ thu thập,

có khả năng mô phỏng tuyến cống ghép đôi Là phần mềm miễn phí và được sử

dụng nhiều nước

2.2.1 Giới thiệu mô hình SWMM

Mô hình SWMM (Storm Water Management Model) là mô hình động lực học

mô phỏng mưa – dòng chảy cho các khu đô thị cả về chất và lượng, và tính toán quá trình dòng chảy trên các đường dẫn

Mô hình có thể mô phỏng với một trận mưa đơn lẻ hoặc nhiều trận mưa liên

tiếp trong thời gian dài

SWMM ra đời từ năm 1971, cho đến nay đã trải qua nhiều lần nâng cấp Mô hình SWMM được sử dụng rộng rãi trên thế giới cho các công tác quy hoạch, phân tích và thiết kế các hệ thống thoát nước mưa, hệ thống thoát nước chung, hệ thống thoát nước thải và những hệ thống tiêu khác trong vùng đô thị cũng như những vùng không phải đô thị

2.2.2 Các khả năng của mô hình SWMM

SWMM tính toán được nhiều quá trình thủy lực khác nhau tạo thành dòng

chảy, bao gồm:

- Lượng mưa biến đổi theo thời gian;

- Bốc hơi trên mặt nước tĩnh;

- Sự tích tụ và tan tuyết;

- Sự cản nước mưa tại các chỗ địa hình lõm có khả năng chứa nước;

- Ngấm của nước mưa xuống các lớp đất chưa bão hòa;

- Nước thấm từ nước mặt chảy vào nước ngầm;

- Sự trao đổi giữa dòng chảy nước ngầm và hệ thống tiêu;

- Chuyển động tuyến của dòng chảy trên mặt đất và ở các hồ chứa phi tuyến; SWMM cũng có những tính năng mềm dẻo của một mô hình thủy lực dùng để

diễn toán dòng chảy, nhật lưu trong cống, kênh, hồ, trạm xử lý nước, các công tình phân nước của hệ thống tiêu thoát

- Mô phỏng các mạng lưới thoát nước với những quy mô không giới hạn;

- Sử dụng nhiều loại cống có hình dạng và kích thước khác nhau và các kênh

tự nhiên;

- Mô phỏng các dòng chảy qua các công trình đặc biệt như: công trình xử lý,

trạm bơm,…

- Có thể xét đến việc nhập lưu hay dòng chảy từ bên ngoài vào cống như dòng

chảy mặt, sát mặt, ngầm, nước thải sinh hoạt và nhiều dạng khác của dòng

chảy;

- Có thể sử dụng phương pháp diễn toán dòng chảy như nước vật, chảy ngược,…

Ngoài khả năng mô phỏng dòng chảy mặt, SWMM còn có khả năng tính toán

vận chuyển chất ô nhiễm, xem xét tới nguồn gây ô nhiễm và diễn biến nồng độ chất

- Thiết kế và bố trí các thành phần của hệ thống tiêu để kiểm soát lũ

- Bố trí các công trình trữ nước (điều hòa nước) và các thiết bị để kiểm soát lũ

và bảo vệ chất lượng nước

- Xây dựng bản đồ ngập lụt của hệ thống sông hoặc kênh tự nhiên

- Vạch ra các phương án làm giảm hiện tượng chảy tràn của mạng lưới thoát nước hỗn hợp

- Đánh giá tác động của dòng chảy vào và dòng thấm của hệ thống thoát nước thải

- Tạo ra các hiệu ứng BMPs để làm giảm tải chất ô nhiễm khi trời mưa

2.2.4 Dữ liệu đầu vào

Các dữ liệu cần thiết cho mô hình mưa dòng chảy SWMM mô phỏng hệ thống thoát nước bao gồm:

- Các dữ liệu về hệ thống thoát nước hiện trạng, các công trình hiện có trong khu vực nghiên cứu, các hồ điều hòa…

- Các dữ liệu về địa hình, địa chất, cao độ san nền, cao độ hiện trạng của các

Quan niệm về dòng chảy mặt

(Surface Runoff) mà SWMM sử dụng

được minh họa trên hình 2.4 Mỗi bề mặt

tiểu lưu vực được coi như là một "hồ

chứa" phi tuyến Dòng chảy vào đến từ

lượng nước rơi (mưa, tuyết) và dòng chảy

từ các tiểu lưu vực nào đó ở phía thượng

lưu được khai báo Các dòng chảy ra bao

gồm: ngấm, bốc hơi, dòng chảy mặt Dung

tích của "hồ chứa" này là mức trữ nước

chỗ lõm tối đa, đó là mức trữ bề mặt lớn

nhất được tạo ra như sự tạo thành hồ, sự

làm ướt bề mặt và sự cản nước Lưu lượng dòng chảy mặt Q trên một đơn vị diện tích xảy ra chỉ khi độ sâu nước trong "hồ chứa" vượt quá mức trữ nước chỗ lõm tối

đa dp, mà trong trường hợp đó dòng chảy ra được tạo thành theo công thức Manning Độ sâu nước d trên tiểu lưu vực được cập nhật liên tục theo thời gian t qua phép giải số cho phương trình cân bằng nước trên tiểu lưu vực

Đây là phương pháp dựa trên các quan trắc thực nghiệm, cho rằng mức độ

thấm giảm đi theo số mũ từ một tốc độ ban đầu lớn nhất tới một tốc độ nhỏ nhất nào

đó trong suốt quá trình diễn biến của trận mưa Các thông số đầu vào cần thiết cho phương pháp này bao gồm các hệ số thấm lớn nhất và nhỏ nhất, hệ số suy giảm biểu

thị tốc độ thấm giảm đi theo thời gian, và thời gian cần thiết để đất từ lúc bão hòa hoàn toàn đến lúc khô hoàn toàn

Hình 2.4: Quan niệm về dòng chảy

mặt

+ Phương pháp Green-Ampt

Phương pháp này dùng để mô hình sự thấm với giả thiết rằng tồn tại một mặt ướt rõ ràng trong cột đất ngăn cách tầng đất có một độ ẩm ban đầu nào đó ở bên dưới khỏi đất bão hòa ở bên trên Các thông số đầu vào cần thiết là độ thiếu ẩm ban đầu của đất, hệ số ngấm của đất và độ cao hút nước tại mặt ướt

+ Phương pháp số đường cong (Curve Number Method)

Cách tiếp cận này được tiếp thu từ phương pháp số đường cong NRCS (SCS) để tính toán dòng chảy Phương pháp này cho rằng, có thể tìm được tổng dung lượng

thấm của đất từ đường cong số cho dưới dạng bảng Trong suốt trận mưa dung lượng này bị suy yếu dần theo một hàm số của lượng mưa và dung lượng còn lại Các thông số đầu vào cho phương pháp này là đường cong số, hệ số thấm của đất (dùng để tính thời gian chia ra nhỏ nhất cho trận mưa) và thời gian cần cho đất bão hòa hoàn toàn đến khô hoàn toàn

c Nước ngầm

Hình 2.5 là một minh hoạ khái niệm về một mô hình nước ngầm hai vùng mà SWMM sử dụng Vùng đất phía trên chưa bão hoà với độ ẩm là θ Vùng đất phía dưới đã bão hoà hoàn toàn vì vậy độ ẩm của nó được cố định tại độ rỗng φ Các dòng nước thể hiện trong hình vẽ được biểu diễn theo thể tích trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian, bao gồm:

Hình 2.5: Mô hình nước ngầm hai vùng

Trong đó:

fI - Lượng nước từ bên trên mặt đất thấm xuống đất;

fEU - Lượng thoát bốc hơi nước từ lớp đất phía trên, tính theo tỷ lệ cố định của

fG - Lượng nước ngầm ở bên chảy vào hệ thống tiêu, phụ thuộc vào chiều sâu

lớp đất thấp hơn dL và chiều sâu của kênh hoặc nút nhận nước

Sau khi tính toán các dòng chảy trong thời đoạn đang xét, dùng phương trình cân bằng khối lượng viết cho sự thay đổi thể tích nước trữ trong mỗi lớp đất, từ đó tính được chiều sâu mực nước ngầm mới và độ ẩm của lớp đất chưa bão hoà cho

thời đoạn tiếp theo

d Tuy ết tan

Quá trình tuyết tan trong SWMM là một phần của quá trình mô hình dòng

chảy Nó cập nhật động thái của các đám tuyết quan hệ với từng tiểu lưu vực bằng cách tính toán sự tích lũy tuyết, sự phân phối lại tuyết theo sự xả bề mặt và các hoạt động dọn tuyết, và sự tan tuyết thông khoảng thời gian làm ấm tuyết Bất cứ lượng tuyết tan nào đi khỏi đám tuyết nào đều được coi là nguồn nước bổ sung trên tiểu lưu vực

Tại mỗi bước thời gian dòng chảy SWMM thực hiện các tính toán sau đây:

1 Nhiệt độ không khí và các hệ số tan tuyết cập nhật theo ngày lịch

2 Bất cứ lượng nước rơi nào rơi xuống là tuyết đều được thêm vào đám tuyết

3 Bất cứ lượng vượt quá giới hạn độ sâu tuyết trên diện tích có thể xúc được

của đám tuyết đều được phân phối lại theo các thông số dọn tuyết tạo cho đám tuyết

4 Mức độ bao phủ bề mặt của tuyết trên diện tích không thấm và thấm của đám tuyết bị giảm đi theo các đường cong xả mặt (Areal Depletion Curves) gán cho diện tích đang xét

5 Lượng tuyết trong đám tuyết tan thành chất lỏng được tính theo:

a Công thức tính ngân quỹ để làm ấm tuyết trong giai đoạn có mưa, nơi

tốc độ tan tuyết tăng theo sự tăng nhiệt độ, tốc độ gió, và cường độ mưa

b Công thức tính nhiệt độ theo ngày cho các giai đoạn không có mưa, nơi tốc độ tan tuyết bằng tích số của hệ số tuyết tan và độ chênh lệch

giữa nhiệt độ không khí và nhiệt độ tan cơ sở của đám tuyết

6 Nếu không có sự tan tuyết nào xảy ra thì nhiệt độ của đám tuyết được hiệu

chỉnh dựa vào tích số của độ chênh lệch giữa nhiệt độ không khí hiện tại và quá khứ và một hệ số tuyết tan hiệu chỉnh Nếu sự tan tuyết xảy ra thì nhiệt

độ của đám tuyết tăng lên theo lượng nhiệt tương đương của tuyết tan, cho đến nhiệt độ tan cơ sở Bất cứ một lượng chất lỏng tan ra còn lại sau này đều

có thể tạo thành dòng chảy từ đám tuyết

7 Lượng tan tuyết sau đó bị giảm đi theo dung lượng giữ nước tự do còn lại trong đám tuyết Lượng tuyết tan còn lại được coi như là nguồn vào của lượng nước bổ sung nhập vào tiểu lưu vực

e Dòng ch ảy tuyến

Trong SWMM, dòng chảy tuyến bên trong đường dẫn bị chi phối bởi các phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng cho dòng chảy biến đổi dần, không ổn định (tức là các phương trình Saint Venant) Người sử dụng SWMM có

thể chọn một trong các lựa chọn sau đây về mức độ tinh vi phức tạp dùng để giải các phương trình đó

- Dòng chảy đều (Steady Flow Routing);

- Dòng chảy tuyến sóng động học (Kinematic Wave Routing);

- Dòng chảy tuyến sóng động lực học (Dynamic Wave Routing)

+ Dòng ch ảy tuyến ổn định (Steady Flow Routing)

Dòng chảy ổn định biểu diễn dòng chảy một cách đơn giản nhất tới mức có thể (thậm chí không có tuyến) bằng cách giả định rằng trong mỗi bước thời gian tính toán dòng chảy là đều và ổn định Như vậy một cách đơn giản là chuyển đổi biểu đồ lưu lượng tại đầu thượng lưu tới đầu hạ lưu của đường dẫn, mà không có sự chậm

tới hay sự đổi dạng Công thức tính dòng chảy thông thường được sử dụng để xác định quan hệ lưu lượng theo diện tích (hoặc theo độ sâu)

Kiểu dòng chảy này không thể tính cho sự tích nước trong kênh, hiệu ứng nước vật, tổn thất vào/ra, sự đảo chiều dòng chảy, hoặc dòng chảy có áp Kiểu này

chỉ có thể dùng với mạng lưới vận chuyển nước dạng nhánh, nơi mà mỗi nút chỉ có

một đường nối ra đơn lẻ (trừ khi nút là một công trình phân dòng trong trường hợp này cần có hai đường nối dòng chảy ra) Kiểu dòng chảy tuyến này không nhạy đối

với bước thời gian được dùng và thực ra chỉ thích hợp với các phân tích sơ bộ sử

dụng các mô phỏng liên tục thời gian dài

+ Dòng ch ảy tuyến sóng động học (Kinematic Wave Routing)

Diễn toán dòng chảy sóng động học giải phương trình liên tục cùng với dạng đơn giản nhất của phương trình động lượng trong mỗi đường ống hoặc kênh Phương trình sau đòi hỏi rằng độ dốc của mặt nước bằng độ dốc của đường dẫn Lưu lượng lớn nhất có thể vận chuyển qua một đường dẫn là giá trị lưu lượng bình thường của dòng chảy đầy Bất cứ một lưu lượng nào đó vượt quá trị số này đi vào nút vào thì sẽ bị mất khỏi hệ thống vừa có thể tạo thành "vũng ngập" trên đỉnh

của nút vào và sẽ được đưa trở lại vào đường dẫn khi đường dẫn lại có khả năng

nhận lượng nước đó

Dòng chảy tuyến sóng động học cho phép lưu lượng và diện tích biến đổi cả về

không gian và thời gian trong đường dẫn Điều này có thể dẫn đến biểu đồ lưu lượng dòng chảy ra bị chậm đi và giảm đi khi dòng chảy đi theo tuyến dọc kênh Tuy nhiên dạng này của dòng chảy tuyến cũng không thể tính được cho các hiệu ứng nước vật, tổn thất vào / ra, sự đảo chiều dòng chảy, hoặc dòng chảy có áp, và

nó cũng chỉ dùng cho mạng lưới bố trí theo dạng nhánh Thông thường, có thể đạt được sự ổn định số với các bước thời gian lớn vừa phải, trong khoảng 5 đến 10 phút Nếu các hiệu ứng kể trên là không bị đòi hỏi quá mức thì đây có thể coi là một

phương pháp chính xác và có hiệu quả, đặc biệt cho việc mô phỏng thời gian dài

+ Dòng ch ảy tuyến sóng động lực học (Dynamic Wave Routing)

Dòng chảy tuyến sóng động lực học giải hệ phương trình dòng chảy Sain Venant một chiều hoàn chỉnh, và vì vậy cho kết quả chính xác về mặt lý thuyết Hệ phương trình này bao gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng cho các đường dẫn và phương trình liên tục tại các nút

Với hình thức diễn toán này, nó có thể mô tả dòng chảy có áp khi một đường

dẫn kín trở nên đầy, như vậy lưu lượng có thể vượt quá giá trị lưu lượng chảy đầy bình thường Úng ngập xảy ra khi chiều sâu nước ở một nút lớn hơn chiều sâu cho phép lớn nhất, và khi đó lưu lượng dòng chảy vượt quá hoặc là bị mất khỏi hệ thống

hoặc có thể hình thành một vũng ngập ở trên đỉnh của nút và quay trở lại hệ thống khi có thể

Diễn toán sóng động lực học có thể tính toán sự trữ nước của kênh, nước vật,

tổn thất ở cửa vào / cửa ra, dòng chảy có độ dốc ngược và dòng chảy có áp Bởi vì

nó kết đôi việc giải cả mực nước tại nút và cả lưu lượng trong đường dẫn với nhau, nên nó có thể áp dụng cho bất cứ mạng lưới nào, thậm chí cả mạng chứa các công trình phân dòng thành nhiều dòng phía hạ lưu và các vòng mạng Đây là phương pháp được lựa chọn để mô phỏng hệ thống chịu ảnh hưởng đáng kể của nước vật do

việc chặn dòng chảy phía hạ lưu và có sự điều chỉnh dòng chảy thông qua các tràn

và các cống Một vấn đề chung cần quan tâm là, để sự tính toán đạt được mức độ chính xác cần thiết thì cần phải sử dụng các bước thời gian tính toán nhỏ hơn nhiều,

ở mức khoảng chừng 1 phút hoặc nhỏ hơn (SWMM sẽ tự động giảm bước thời gian

lớn nhất do người sử dụng khai báo khi cần đạt được sự ổn định số)

Mỗi trong các phương pháp này đều dùng công thức Manning để lập quan hệ lưu lượng theo độ sâu và độ dốc (hoặc độ nhám) đáy Trường hợp ngoại lệ là đối

với dạng ống tròn có áp, lúc đó có thể thay thế bằng việc sử dụng công thức Williams

Hazen-f S ự tạo thành vũng ngập trên bề mặt

Thông thường trong diễn toán dòng chảy, khi dòng chảy vào một nút vượt quá

khả năng của hệ thống vận chuyển nước ở phía hạ lưu của nó, phần thể tích vượt quá sẽ chảy tràn ra khỏi hệ thống và bị mất đi Có một lựa chọn để làm cho dung tích vượt quá này được trữ lại bên trên nút dưới dạng một "vũng ngập", và dung tích

đó sẽ lại được đưa trở vào hệ thống khi khả năng của hệ thống cho phép

Khi diễn toán dòng chảy đều và dòng chảy sóng động học thì nước của vũng

ngập được trữ chỉ đơn giản là thể tích nước vượt quá Đối với dòng chảy sóng động

lực học chịu ảnh hưởng bởi các độ sâu nước duy trì tại các nút, thể tích nước vượt quá được giả định tạo thành vũng ngập bên trên nút với diện tích bề mặt không đổi

Diện tích bề mặt này là một thông số đầu vào cung cấp cho một nút

Như là một tùy chọn, người sử dụng có thể muốn biểu diễn hệ thống chảy tràn trên bề mặt một cách rõ ràng Trong hệ thống kênh hở điều này có thể bao gồm sự

chảy tràn trên đường tại các cầu hoặc các điểm giao cắt với ống ngầm cũng như với các diện tích trữ nước của vùng đồng trũng thêm vào Trong các hệ thống đường

dẫn kín, dòng chảy tràn trên bề mặt có thể được chuyển xuống các đường phố bên dưới, các thung lũng, hoặc các tuyến khác trên mặt đất đến cửa nhận nước mưa

hoặc kênh hở có thể tiếp theo Dòng chảy tràn cũng có thể được lưu giữ trong các

chỗ trũng trên bề như là các bãi đỗ xe, sân đua hoặc các diện tích khác

g Dòng ch ảy chất lượng nước

Ngoài việc mô phỏng thủy lực, SWMM còn có khả năng biểu diễn chất lượng nước trong phạm vi một đường ống hoặc kênh với giả thiết rằng đường ống hoặc kênh được xem như là bể phản ứng khuấy trộn liên tục

Dòng chảy tuyến chất lượng nước (Water Quality Routing) bên trong các đường nối cho rằng, đường dẫn xử lý như một bể phản ứng khuấy trộn liên tục

(continuously stirred tank reactor - CSTR), mặc dù giả định bể phản ứng theo kiểu dòng "đẩy" có thể là thực tế hơn Sai số sẽ nhỏ đi nếu thời gian di chuyển qua đường dẫn cùng bậc với bước thời gian dòng chảy Nồng độ của một chất tồn tại trong đường dẫn tại thời điểm cuối của bước thời gian được tìm ra qua việc tích hợp

phương trình bảo toàn khối lượng, sử dụng các giá trị trung bình cho các con số có

thể thay đổi theo bước thời gian như lưu lượng và thể tích của đường dẫn

Mô hình chất lượng nước trong các nút công trình trữ nước cũng tuân theo cùng một cách tiếp cận như đối với các đường dẫn Đối với các loại khác của nút không có thể tích, chất lượng nước tồn tại trong nút chỉ đơn giản là sự pha trộn nồng

độ của tất cả dòng chảy đi vào nút

Qua phân tích sơ bộ về phương pháp tính toán, mô hình tính toán tiêu thoát nước, với thời gian nghiên cứu, viết luận văn có hạn nên tác giả lựa chọn mô hình SWMM để tính toán thoát nước cho khu vực, phù hợp với tài liệu thu thập được

2.3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THOÁT NƯỚC MƯA THEO CƯỜNG ĐỘ GIỚI HẠN

Kỹ thuật tính toán tiêu thoát nước với các lưu vực đô thị có khoảng giữa thế

kỷ XIX Nhìn chung các phương pháp tính toán tiêu thoát nước cho các đô thị ở nước ta phần lớn mới ở mức sử dụng các công thức kinh nghiệm, công thức căn nguyên dòng chảy để xác định lưu lượng lớn nhất cần tiêu và kích thước các đường

cống tiêu

Ở nước ta từ năm 1960 đến nay áp dụng rộng rãi phương pháp cường độ giới

hạn Hiện nay tiêu chuẩn Việt Nam cũng đưa phương pháp cường độ giới hạn vào tính toán tiêu thoát nước mưa cho đô thị

2.3.1 Xác định lưu lượng mưa tính toán

Công thức tính toán lưu lượng thoát nước mưa:

Chu kỳ tràn cống là thời gian (tính bằng năm) lặp lại trận mưa vượt quá cường

độ mưa tính toán (vượt quá sức chuyển tải của cống thoát nước)

2.3.3 Xác định cường độ mưa tính toán

Theo TCVN 7957:2008, cường độ mưa tính toán được xác định theo công thức sau:

n

A.(1 C.lg P)q

q - Cường độ mưa (l/s.ha)

t - Thời gian dòng chảy mưa đến điểm tính toán (phút)

P - Chu kỳ lặp lại trận mưa tính toán (năm)

A, C, b, n: Hằng số khí hậu phụ thuộc vào điều kiện mưa của địa phương

2.3.4 Xác định thời gian mưa tính toán

Thời gian mưa tính toán được xác định theo Điều 4.2.7 TCVN 7957:2008

v - Vận tốc chảy trong mỗi đoạn cống tương đương, m/s

r - Hệ số phụ thuộc vào địa hình

2.3.5 Xác định hệ số dòng chảy

Hệ số dòng chảy C xác định bằng mô hình tính toán quá trình thấm Trong trường hợp không có điều kiện xác định thì C phụ thuộc vào tính chất mặt phủ của lưu vực và chu kỳ lặp lại trận mưa tính toán

Tuy nhiên, phương pháp cường độ giới hạn có những nhược điểm là:

- Khối lượng tính toán nhiều;

- Không xét đến sự thay đổi của của yếu tố thủy lực, thủy văn theo thời gian,

chỉ xác định được lưu lượng đỉnh (lưu lượng tối đa);

- Không mô phỏng được quá trình chất lượng nước;

vậy, để lựa chọn được phương pháp phù hợp với từng địa phương, cần dựa vào các

yếu tố về địa hình, khí hậu, địa chất, thủy văn Ngoài ra còn kể đến các yếu tố khách quan và chủ quan như mục đích nghiên cứu, cách thức nghiên cứu, điều kiện thu thập số liệu, độ chính xác của số liệu, khả năng ứng dụng các phương pháp tính toán hay các mô hình mô phỏng vào khu vực cần nghiên cứu Như vậy, trước khi nghiên cứu cần phải xem xét và đưa ra những lựa chọn về phương thức tính toán phù hợp nhất Và để làm được như vậy, cần phải thực hiện công tác chuẩn bị các tài

liệu cần thiết và quan trọng nhất là đánh giá được khả năng làm việc hiện tại của hệ

thống, đây chính là nội dung tác giả sẽ đề cập trong chương 3 của luận văn này