Một phương pháp tính và chương trình máy tính tương ứng, với tên gọi DELTA-P, được xây dựng nhằm tính toán được sự tương tác giữa mạng kênh sông và mạng cống ngầm trong hệ thống tiêu chị
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO – BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM
VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO – BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM
VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM
Trang 2Công trình được hoàn thành tại: Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam
Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn Tất Đắc
Phản biện 1: GS.TS Phạm Ngọc Quý
Phản biện 2: PGS.TS Huỳnh Thanh Sơn
Phản biện 3: PGS.TS Lê Văn Nghị
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Viện họp tại: ………
……… Vào hồi giờ ngày tháng năm 2015
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
Thư viện Quốc gia Việt Nam
Thư viện Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam
Thư viện Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam
Trang 3Một phương pháp tính và chương trình máy tính tương ứng, với tên gọi DELTA-P, được xây dựng nhằm tính toán được sự tương tác giữa mạng kênh sông và mạng cống ngầm trong hệ thống tiêu chịu ảnh hưởng của cả mưa và ngập triều
Mục đích: Đề tài nghiên cứu nhằm giải đáp một trong những
tồn tại về giải pháp khoa học tiêu thoát nước đô thị có xét đến yếu tố tác động của triều cường và mưa cục bộ trong điều kiện đô thị hoá Đồng thời, cải tiến một số mô hình thuỷ lực kênh và cống ngầm kết kợp và áp dụng phù hợp với điều kiện một số thành phố vùng mưa lớn và triều cường ở nước ta
Điểm mới và sáng tạo:
(1) Phát triển được môđun tính toán thuỷ lực bài toán tiêu thoát nước đô thị;
(2) Kết nối môđun với với mô hình thuỷ lực sông kênh DELTA; (3) Giải đồng thời bài toán mưa trên lưu vực, dòng chảy trong cống và trong kênh ở vùng ảnh hưởng triều;
(4) Công cụ có thể ứng dụng cho bài toán thực tế
Ý nghĩa khoa học: Luận án là một phát triển mới về mô hình
tính tiêu thoát nước đô thị từ mưa trên bề mặt đô thị-đường kênh, không trùng lặp với công trình đã có Xây dựng mô hình tính toán hoàn chỉnh DELTA-P và đã được kiểm nghiệm
ống-Ý nghĩa thực tiễn: Có một công cụ mới để giải quyết bài toán
tiêu thoát nước đô thị
Trang 4CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGẬP ÖNG ĐÔ THỊ, GIẢI PHÁP CHỐNG NGẬP VÀ MÔ HÌNH TÍNH
TIÊU THOÁT NƯỚC
đã vượt quá 1 tỷ, trong mười năm trở lại đây là trên 10 tỷ
Lũ, lụt ở Việt Nam chủ yếu được tạo ra bởi mưa gió mùa, bão nhiệt đới và triều cường
- Hà Nội có tốc độ đô thị hóa diễn ra rất nhanh và trận lụt lịch sử
ở do 3 yếu tố: lũ, triều cường và mưa lớn (minh họa Hình 1-1)
- TP Cần Thơ cũng đang gặp phải vấn nạn ngập lụt, nhất là vào mùa nước nổi ở miền Tây Nam bộ
Nguyên nhân gây ngập lụt chủ yếu, gồm:
Trang 5- Nguyên nhân khách quan: như cốt nền thấp, mưa lớn, triều cường, lũ thượng nguồn, đô thị hóa nhanh, hệ thống tiêu nước xuống cấp;
- Nguyên nhân chủ quan: như quy hoạch phát triển giữa các ngành chưa đồng bộ, rừng đầu nguồn bị phá gây lũ lớn, tình trạng lấn chiếm kênh rạch
Hình 1-1: Những nguyên nhân tự nhiên gây ngập úng TP HCM
Giải pháp tổng hợp chống ngập đô thị:
Để chống ngập lụt tại các thành phố lớn một cách có hiệu quả cần một giải pháp đồng bộ, tầm quy hoạch mang tính chiến lược, đặc
Trang 6biệt cần có sự đóng góp trí tuệ của các nhà khoa học và ý thức cộng đồng trong công tác phòng chống ngập úng
Theo quan điểm chiến lược tiêu nước đô thị tổng hợp, việc ứng dụng của mô hình toán nhằm:
- Phân tích chi tiết nguyên nhân, ảnh hưởng và biện pháp khắc phục ngập úng đô thị;
- Cung cấp thông tin để hiểu rõ hơn sự tác động của các nguồn nước đối với hoạt động, vận hành của hệ thống tiêu thoát nước;
- Xây dựng kế hoạch tổng hợp phát triển hạ tầng và các công trình chống ngập;
- Đánh giá hiện trạng và dự báo rủi ro úng ngập;
- Lập kế hoạch ứng phó khẩn cấp;
- Đánh giá tác động của hệ thống tiêu nước đối với hệ thống sông kênh;
- Ứng phó biển đổi khí hậu và nước biển dâng
Các bộ mô hình thủy văn-thủy lực đô thị được phát triển để mô phỏng các loại đối tượng riêng biệt hoặc được tích hợp một số đối tượng như:
- Tương tác cống ngầm-sông kênh hở;
- Ngập lũ sông kênh-ô đồng, bãi tràn;
- Tương tác dòng chảy mặt phố-cống ngầm-sông kênh hở;
- Tương tác cống ngầm-tầng nước ngầm;
- Tương tác cống ngầm-thủy triều
Trong đó bộ các mô hình dòng chảy mặt phố-cống ngầm-sông kênh hở được giới thiệu trong tài liệu hướng dẫn ứng dụng cho quản
lý tiêu thoát nước tổng hợp
Nhìn chung, cách tiếp cận mô hình hóa hệ thống tiêu nước đô thị gồm: (i) Mô hình một chiều (1D) ứng dụng cho các hệ thống có dòng chảy 1 chiều trong lòng dẫn và (ii) Mô hình hai chiều (2D) ứng
Trang 7dụng mô phỏng hệ thống có cả dòng chảy tràn theo hướng ngang Hệ thống cống ngầm và sông kênh hở thường được mô phỏng dạng 1D Dòng chảy tràn bề mặt phố có thể mô phỏng dạng 1D hay 2D Trên thế giới đã phát triển nhiều công cụ mô hình như SWMM
ở Mỹ, WASSP ở Anh, MOUSE và Mike Flood ở Đan Mạch, SOBEK Urban ở Hà Lan Một số phần mềm được ứng dụng cho quy hoạch, thiết kế hệ thống tiêu nước TP Hồ Chí Minh
Ở Việt Nam có mô hình F28 tính toán hệ thống đường ống tiêu thoát nước đô thị đang được nghiên cứu phát triển và ứng dụng thử nghiệm
Các dự án, đề tài đã sử dụng riêng 2 mô hình toán là mô hình thủy lực sông kênh và mô hình cống ngầm đô thị nhằm giải quyết vấn đề tính toán tiêu thoát nước đô thị là một hạn chế lớn
Thực tiễn ở nước ta đòi hòi sự liên hợp được cả hai bài toán lớp ngoài (sông kênh) và lớp trong (hệ thống tiêu nước nội đô) thành mô hình tổng hợp
a) Một số khái niệm:
Ảnh hưởng của đô thị hóa tới chu trình thuỷ văn:
Chu trình thuỷ văn được minh hoạ qua các bước chuyển biến dòng nước mưa từ khí quyển rơi xuống bề mặt đất và chảy ra sông biển qua các bước chảy trung gian
Ở khu vực đô thị hoá chu trình thuỷ văn bị điều chỉnh khá nhiều
do hệ thống tiêu thoát nước, khu trữ và điều tiết nhân tạo; bề mặt đất
bị bê tông hoá làm giảm lượng thấm xuống tầng nước ngầm
Tính chất thủy văn lưu vực đô thị:
Lưu vực đô thị được phân định bởi điều kiện địa hình phân chia dòng chảy bề mặt và sự ảnh hưởng của địa vật tự nhiên hay do con người xây dựng như tuyến đường giao thông
Trang 8b) Mô hình thủy văn đô thị
Các loại mô hình thủy văn đô thị:
Một số phương pháp tính toán được áp dụng để tính toán dòng chảy ở đô thị, gồm:
mưa-(i) Một số công thức kinh nghiệm thông dụng:
- Phương pháp Căn nguyên (Rational) và phương pháp Biểu đồ đơn vị
(ii) Một số mô hình toán phổ biến:
- Mô hình Mike-RR: gồm các môđun NAM, SMAP, FEH, DriFt, Urban-A, Urban-B
- Mô hình HEC-HMS
Nhận xét chung:
Mô hình như Urban-B là thích hợp nhất để tính toán thuỷ văn đô thị ở TP Hồ Chí Minh với khá đầy đủ tài liệu
Trong trường hợp thiếu tài liệu về đặc trung lưu vực thì có thể
sử dụng loại mô hình Urban-A
c) Mô hình thủy lực đô thị
Dòng chảy trong đô thị: Chu trình dòng chảy mưa lũ tập trung
xuống đường phố và chảy lan tràn theo các tuyến đường và tập trung vào miệng hố ga, chảy vào đường cống ngầm và tiêu ra hồ trữ hay sông kênh Đường phố là các tuyến tiêu nước cấp bách, có khả năng chuyển nước và trữ nước tạm thời
Với mô hình tiêu thoát nước đô thị cần có các mô hình thành phần như mô hình thủy văn đô thị, mô hình đường ống, mô hình kênh sông và sự nối kết giữa các mô hình thành phần
Mô hình thủy lực SWMM:
Mô hình SWMM tính toán đặc trưng dòng chảy trong hệ thống thoát nước đô thị và dòng chảy sông kênh trên cơ sở giải hệ phương trình Saint Venant cho dòng chảy 1 chiều không ổn định
Trang 9Phương pháp giải cho hệ đường ống được trình bày kỹ lưỡng trong tài liệu học thuật của mô hình Một số công trình như trạm bơm
và công trình cũng được mô tả trong SWMM
Mô hình đã được ứng dụng cho tính toán tiêu nước khu vực Tham Lương-Bến Cát ở TP Hồ Chí Minh Mạng cống ngầm được
mô phỏng nhưng tác giả không trình bày và phân tích diễn biến mực nước trong cống trong trường hợp mưa gây úng và chịu ảnh hưởng thuỷ triều tác động vào hệ thống cống
Nhóm mô hình thủy lực MIKE:
Bộ mô hình MIKE có các môđun MOUSE, MIKE11 và MIKE21 có thể liên kết với nhau thành bộ MIKE URBAN (MOUSE-MIKE21) hay MIKE FLOOD (MIKE11-MIKE21 hay cả 3 môđun kết hợp)
Một số kết quả nghiên cứu ứng dụng của mô hình Mike được công bố như:
- Ứng dụng MIKE FLOOD tính toán ngập úng sông Nhuệ-Đáy
Hà Nội
- Mô phỏng ngập úng đô thị Dhaka Bangladesh bằng MOUSE với mô hình hệ thống cống ngầm tiêu nước liên kết với tính toán dòng chảy bề mặt
Mô hình thủy lực F28:
Trong phần mềm, các môđun tính toán các dòng chảy được phát triển là: mưa-dòng chảy trên mặt đất; dòng chảy trong cống và trên mặt đường
Mô hình được ứng dụng tính toán cho khu đô thị Thủ Thiêm và
mô phỏng được hệ thống đường ống nối với mạng sông kênh và mô phỏng được hiện tượng úng ngập do mưa lớn
Mô hình thủy lực VRSAP:
Mô hình thủy lực VRSAP đã áp dụng tính toán kiểm soát lũ và chống ngập úng cho nhiều khu vực ngoại thành và vùng ngập lũ châu
Trang 10thổ VRSAP là mô hình dòng chảy 1 chiều trong sông kênh thuần túy
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH DELTA-P NỐI GHÉP THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG VỚI THỦY LỰC
Những trường hợp tính toán mô phỏng gồm:
- Hoàn nguyên mô hình thuỷ lực DELTA-P và so sánh với bộ số liệu thực đo dòng chảy trên sông kênh và điều tra úng ngập vùng THLG Mô hình thủy lực sông kênh bao trùm toàn bộ khu vực hạ lưu sông Đồng Nai-Sài Gòn từ hạ lưu hồ Dầu Tiếng, Trị An ra đến biển Đông, có khả năng mô phỏng tác động lũ thượng nguồn, ảnh hưởng triều biển Đông và khả năng điều tiết lũ của các vùng ngập lũ ven sông và các vùng đất trũng phía nam TP Hồ Chí Minh
- Mô hình thủy lực cống ngầm vùng THLG mô phỏng khả năng tiêu thoát nước mưa và tác động của thủy triều vào hệ thống cống ngầm
- Tính toán các trường hợp cải tạo nâng cấp cống ngầm và kênh THLG nhằm giảm ngập úng cục bộ (lớp trong)
- Có khả năng tính trường hợp có công trình trên sông kênh ngăn triều (lớp ngoài) làm giảm mực nước trên sông kênh và tăng khả năng tiêu thoát nước của hệ thống cống ngầm vùng THLG
Trang 11Phần thuật toán thuỷ lực sông kênh của mô hình DELTA-P được phát triển với đủ cơ sở chặt chẽ cả về mặt toán và cơ học và được khẳng định qua các ứng dụng thực tế Những đóng góp của nghiên cứu sinh cho nghiên cứu mới đây phát triển bổ sung được phần liên kết với cơ sở dữ liệu và GIS
ỐNG
Cống tiêu nước đô thị là dạng cống ngầm có dạng hình tròn hay chữ nhật và chiều dài cống khá lớn Dòng chảy trong cống ngầm có các hình thức được mô phỏng như sau:
- Khi dòng chảy đầy mặt cắt cống thì chế độ chảy là có áp;
- Khi mực nước thượng lưu ngập miệng vào cống nhưng cửa ra vẫn thấp hơn đỉnh cống thì chế độ chảy một phần có áp và một phần không áp hay là nửa áp
- Mực nước trước cống và trong cống thấp hơn đỉnh cống thì chế độ chảy là không áp Tùy theo độ sâu mực nước trong cống so với độ sâu phân giới để xác định chế độ chảy không ngập hay ngập
Hình 2-1: Sơ đồ khối các trường hợp tính ứng với các điều kiện dòng
chảy trong cống
Trang 12Trong các công thức Hình 2-1 luôn có Q là hàm số của cột áp hai đầu ống Q = f(H,h) Các hệ thức được vi phân và giải số trong DELTA-P Minh họa các chế độ chảy như Hình 2-2
Tại các điểm thu nước, hoặc tại điểm xả từ đường ống ra kênh ta đều có các liên hệ tuyến tính giữa Q và mực nước cột áp tại hai đầu ống hoặc mực nước tại điểm nối với kênh và mực nước cột áp một đầu ống Bằng cách khử các giá trị của Q tại các cửa nhận nước, hoặc tại điểm xả ra kênh, cuối cùng ta thu được một hệ phương trình đại số tuyến tính trong đó các ẩn là mực nước tại các hợp lưu kênh sông, mực nước cột áp tại các cửa thu nước và tại các cửa xả ra kênh Thuật toán của DELTA-P sử dụng cùng nguyên lý ghép nối kênh-cống hoặc cống-cống Sơ hoạ cách nối ghép mạng cống và mạng sông tại một điểm nút như Hình 2-3
Hình 2-2: Hình minh hoạ các trường hợp dòng chảy trong cống Tính mưa trong mô đun đường ống P như sau: Dòng chảy do mưa tập trung vào các cửa thu nước trên các đường phố đó Tốc độ tiêu thoát phụ thuộc vào lưu lượng chảy vào các cửa thu mà lưu
Trang 13lượng này lại phụ thuộc vào diện tích miệng thu, chiều rộng đường phố, độ chênh giữa cao trình ngập với cột áp từng cửa thu
Sự biến đổi của độ ngập Z sẽ theo phương trình:
Hình 2-3: Các nhánh sông và cống ngầm tại nút hợp lưu sông I
Trang 14CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG DELTA-P MÔ PHỎNG SÔNG KÊNH TP HỒ CHÍ MINH VÀ CỐNG LƯU VỰC TÂN HOÁ-LÒ GỐM
TP Hồ Chí Minh là thành phố lớn nhất Việt Nam với dân số năm 2013 là hơn 7,99 triệu người và diện tích tự nhiên 2.095 km²
Địa hình: Một phần lớn diện tích có cao độ trung bình dưới
1,0m nằm giữa các kênh rạch chằng chịt trong lưu vực hạ lưu sông Đồng Nai
Khí hậu: Nhiệt độ trung bình hàng năm và độ ẩm cao Trong
năm có hai mùa: mùa khô và mùa mưa Lượng mưa trung bình hàng năm là 1.915mm, mùa mưa chiếm 93% lương mưa năm
TP Hồ Chí Minh rất hiếm động đất và ảnh ít chịu ảnh hưởng bão Thường xuyên bị ngập úng do mưa lớn và triều cường
Hệ thống sông kênh và chế độ thủy văn: Hầu hết các sông rạch
TP Hồ Chí Minh đều chịu ảnh hưởng dao động bán nhật triều không đều của Biển Đông Mực nước đỉnh triều cao khoảng 1,55-1,60m Các sông lớn: gồm sông Đồng Nai, Sài Gòn chảy qua khu trung tâm thành phố và sông Vàm Cỏ, Lòng Tàu và Thị Vải ở khu vực ven biển
Kênh rạch khu vực nội thành: gồm các rạch Nhiêu Lộc - Thị Nghè, Tân Hóa - Lò Gốm, Tàu Hủ - Bến Nghé, Kênh Đôi - Kênh Tẻ, rạch Nước Lên - Rạch Bến Cát và rạch Cầu Sơn–Vàm Tắt
Khu vực ngoại thành: có nhiều kênh rạch khu vực nội thành mới (Thủ Đức), khu Nam thành phố và ven biển
Hệ thống cống thoát nước: hiện nay là hệ thống thoát nước chung tất cả các loại nước mưa, nước thải Hệ thống tiêu thoát nước của thành phố được phân chia theo các cấp sau:
Kênh cấp I: là hệ thống sông, kênh rạch
Trang 15Hệ thống cống cấp II,cấp III, cấp IV khoảng 1000 km
Tình hình ngập lụt khu vực nội thành
Thời kỳ năm 2007-2008 toàn thành phố (nội thành và vùng ven)
có tổng diện tích ngập là 4.011 ha Trong đó, ngập đất xây dựng
2861 ha, ngập đất nông nghiệp 1150 ha Nhiều nơi ở trung tâm thành phố có độ sâu ngập đến 100cm và thời gian ngập đến 24 giờ
Từ năm 2008 đến nay tình trạng ngập úng của thành phố đã giảm đáng kể, giảm 2/3 số điểm ngập và giảm một nửa thời gian ngập và chiều dài mỗi điểm
Trong trường hợp mưa lớn kết hợp với triều cường thì khả năng ngập úng của thành phố vẫn rất nghiêm trọng
Tình hình ngập úng khu vực ngoại thành:
Ngập úng ngoại thành xảy ra lớn khi tổ hợp của 3 yếu tố: mực nước triều cao, mưa đồng và lũ sông đều lớn
Diện tích bị ngập là 4.348 ha ở huyện Nhà Bè và Cần Giờ Theo
số liệu ước tính thiệt hại năm 1996 ở khu vực nông nghiệp, nông thôn khoảng 65 tỷ đồng và khu đô thị thiệt hại bình quân hàng năm
là 371 tỉ đồng, năm cao nhất lên tới 500 tỉ đồng
Nguyên nhân:
Khu vực nội thành: một số khu vực có cao trình thấp dưới 1,5m; mưa có cường suất cao nên nước tập trung quá nhanh; mực nước của các sông rạch cao do ảnh hưởng của triều cường biển Đông; công trình tiêu thoát nước không đủ năng lực
Khu vực ngoại thành: Cao độ mặt đất tự nhiên quá thấp dưới 1m; đê bao chưa đủ cao trình chống lũ hoặc đủ nhưng chưa khép kín; ảnh hưởng kết hợp của triều cường biển Đông và lũ của thượng nguồn sông Đồng Nai, sông Sài Gòn đổ về
