TÍNH TOÁN THỦY văn, THỦY lực PHỤC vụ THIẾT kế hệ THỐNG KÊNH THOÁT nước tàu hũ bến NGHÉ, đôi tẻ

TÍNH TOÁN THỦY VĂN, THỦY LỰC PHỤC VỤ THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÊNH THOÁT NƯỚC TÀU HŨ- BẾN NGHÉ, ĐÔI TẺ Lương Tuấn Anh, Lã Thanh Hà, Hoàng Văn Đại Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường

TÍNH TOÁN THỦY VĂN, THỦY LỰC PHỤC VỤ THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÊNH THOÁT NƯỚC TÀU HŨ- BẾN NGHÉ, ĐÔI TẺ

Lương Tuấn Anh, Lã Thanh Hà, Hoàng Văn Đại

Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường

Bài báo trình bày kết quả tính toán mực nước thiết kế hệ thống kênh thoát nước Tàu

Hũ - Bến Nghé - Đôi Tẻ thành phố Hồ Chí Minh phục vụ giai đoạn thiết kế chi tiết dựa trên

cơ sở áp dụng mô hình thủy văn tính quá trình lưu lượng đầu vào và mô hình thủy lực tính toán quá trình chuyển nước mưa theo các hướng thoát nước chủ đạo của hệ thống với điều kiện biên được xác định từ nghiên cứu khả thi

1 Mở đầu

Lưu vực cần thoát nước mưa của hệ thống kênh Tàu Hũ-Bến Nghé, Đôi-Tẻ thành phố Hồ Chí Minh bao gồm diện tích 61,72km2, được chia thành 14 tiểu lưu vực nhỏ (hình 1) Hướng thoát nước chủ yếu của hệ thống kênh là về phía sông Sài Gòn-Đồng Nai và ngược lại, về phía Nam ra sông Bến Lức và Cần Giuộc Nhiệm vụ chủ yếu của nghiên cứu là thẩm định các kết quả nghiên cứu thủy văn và tính toán mực nước thiết kế của hệ thống kênh trên cơ sở các điều kiện cải tạo lòng dẫn và điều kiện biên được đề xuất từ của nghiên cứu khả thi của Cơ quan Hợp tác quốc tế Nhật Bản (JICA) [6] Bài báo trình bày kết quả tính toán thủy văn của hệ thống thoát nước dựa trên cơ sở mô hình thủy văn ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn sóng động học một chiều có tính đến quá trình tập trung dòng chảy để xác định điều kiện đầu vào cho

hệ thống kênh thoát nước và mô hình thủy lực giải hệ phương trình Sain-Venant, mô phỏng vận động sóng lũ dọc theo hệ thống kênh để xác định mực nước thiết kế

2 Tính toán thủy văn

Mô hình thủy văn mưa-dòng chảy có tính đến quá trình tập trung dòng chảy được xây dựng dựa trên cơ sở giải hệ phương trình sóng động học một chiều bằng phương pháp phần tử hữu hạn [2, 4] Hệ phương trình sóng động học một chiều bao gồm:

- Phương trình liên tục:

(1)

- Phương trình động lượng

S0 = Sf (2)

- Kết hợp với phương trình Manning:

q =  h (3)

Trong đó:

q – Lưu lượng đơn vị của dòng chảy sườn dốc;

) t , x ( r x

q t

h

e

=

¶

¶ +

¶

¶

h- Độ sõu của lớp dũng chảy;

o

S - Độ dốc sườn dốc hoặc trong sụng;

e

r - Lượng mưa hiệu quả được tớnh bằng phương phỏp f1-Sa-fsa [5]; Trong đú: f1=0,6

là hệ số tổn thất ban đầu; Sa=55,0mm lượng mưa tớch lũ bóo hũa; fsa=0,9 là hệ số dũng chảy bóo hũa

 - Hệ số phụ thuộc độ nhỏm của bề mặt lưu vực Đối với lưu vực đụ thi đang phỏt triển hệ số cú trị số 0,1-0,15

 - hệ số cú trị số trong khoảng 0,6

Cỏc tiểu lưu vực được xấp xỉ bằng cỏc dải sườn dốc và được chia thành cỏc phần tử cú độ dốc sườn dốc tương đối đồng nhất dựa trờn cơ sở bản đồ địa hỡnh 1/10.000 và được thể hiện ở Hỡnh 1

Quỏ trỡnh mưa thiết kế được chọn là quỏ trỡnh mưa 6h, trận mưa tần suất 5 năm lặp lại cú tổng lượng mưa là 113,47mm, trận mưa tần suất 10 năm lặp lại cú tổng lượng mưa 127,54mm [6]

K.Ta

u H u

K D oi

K.B e

Ng e

S a

i G o R iv e r

R

m

R

On

K Te

R

a L o

R

a Tan g

R

On g

e

R

o Go m

1 2 3 4 5 6

1 2 3 4 5

1 2

1 3 4 5 6

2 1 2 3 4

3

4 7

8 9 10

1

2 1

2

1 2

1 2

1

2

3

1

2 3

1 2

1 1

Hình 1 Sơ đồ mô phỏng l-u vực Tàu Hũ - Bến Nghé bằng các PTHH

C3.13 Ký hiệu các tiểu l-u vực

C4.3

C3.4

C4.1

C4.4 C4.52

C3.13

C4.51

C4.61

C4.71 C4.81

C4.62 C7.72

C4.82

C4.3

Hỡnh 1 Sơ đồ mụ phỏng lưu vực Tàu Hũ - Bến Nghộ bằng cỏc PTHH

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Thời gian (giờ)

C3-13 C3-4 C4-1 C4-2 C4-3 C4-4 C4-51 C4-52 C4-61 C4-62 C4-71 C4.72 C4-81 C4-82

Hình 2: Quá trình lũ thiết kế tần suất 5

năm lặp lại tại các tiểu lưu vực

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Thời gian (giờ)

C3-13 C3-4 C4-1 C4-2 C4-3 C4-4 C4-51 C4-52 C4-61 C4-62 C4-71 C4.72 C4-81 C4-82

Hình 3: Quá trình lũ thiết kế tần suất 10 năm lặp lại tại các tiểu lưu vực

Kết quả tính toán quá trình lũ thiết kế tần suất 5 năm lặp lại tại các tiểu lưu vực được thể hiện ở Bảng 1, tần suất 10 năm lặp lại được thể hiện ở Bảng 2 và tương ứng trên các Hình 2 và 3 Kết quả tính toán cho thấy trong hầu hết các trường hợp nghiên cứu, kết quả tính theo phương pháp phần tử hữu hạn sóng động học một chiều có sự phù hợp tốt với kết quả nghiên cứu của JICA tính theo phương pháp thích hợp Tuy nhiên, riêng đối với lưu vực Tân Hoá -Lò Gốm với diện tích lưu vực 14,35 km2

lưu lượng đỉnh lũ thiết kế với tần suất 5 năm và 10 năm lặp lại tương ứng là 117 và 131

m3/s (mô đun dòng chảy tương ứng là 8,15 m3

/s/km2 và 9,13m3/s/km2) là thiên lớn so với điều kiện thực tế của các lưu vực sông nhỏ của nước ta Lưu lượng và mô đun đỉnh

lũ thiết kế của một số sông suối nhỏ khu vực miền núi phía Bắc và Bắc Trung bộ ở nước ta được thể hiện ở Bảng 3

Bảng 1: Kết quả tính lũ thiết kế 5 năm lặp lại theo mô hình và theo nghiên cứu của

JICA [6 ]

M,m3/s/km2 5.10 7.60 13.3 5.0 6.95 5.62

M,m3/s/km2 8.15 7.99 8.69 4.51 5.27 5.79

Bảng 2: Kết quả tính lũ thiết kế 10 năm lặp lại theo mô hình và theo nghiên cứu của

JICA [6 ]

M,m3/s/km2 6.14 8.96 15.3 6.04 8.30 6.75

M,m3/s/km2 9.12 8.84 9.78 5.21 5.57 6.11



Bảng 3: Lưu lượng lũ thiết kế 10 năm lặp lại của một số sông suối nhỏ ở Việt Nam

[1]

STT Tên trạm F, km2 Thời kỳ Q-10 năm (m3/s) M-10 năm (m3/s/km2)

3 Tính toán mực nước thiết kế

Tính toán mực nước thiết kế hệ thống thoát nước kênh Tàu Hũ-Bến Nghé,

Đôi-Tẻ được thực hiện trên cơ sở tính toán dòng chảy không ổn định, áp dụng hệ phương trình Sain-Venant dưới dạng:

q

t

A

x

¶

¶

+

¶

¶ (3)

0

3 / 4 2

2

= +

¶

¶

+

¶

¶

R A

Q Q n gA x

Z

gA

t

Q

(4) Trong đó: Q- Lưu lượng nước trong kênh, sông; Z- Mực nước;

q- lưu lượng nước nhập lưu, được tính từ mô hình mưa-dòng chảy, được trình bày ở phần trên

Hệ phương trình (3) và (4) được giải bằng sơ đồ hiện tăng cường, được trình bày chi tiết trong công trình [3]

Định hướng thoát nước mưa chủ yếu của hệ thống được xác định theo các kênh dẫn nước theo 2 hướng là ra sông Sài Gòn- Đồng Nai và ngược lại, về phía Nam ra sông Bến Lức và Cần Giuộc Số liệu mặt cắt lòng dẫn dự kiến được cải tạo lấy theo kết quả nghiên cứu của JICA [6] Trong tất cả các phương án tính toán hệ số nhám Manning đối với kênh được kè đá được chọn là 0,03

a Điều kiện biên:

Các phương án lựa chọn điều kiện biên về lưu lượng, mực nước được thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu khả thi như sau:

Phương án 1: lưu lượng vào hệ thống ứng với tần suất thiết kế 10 năm lặp lại,

mực nước không đổi trong quá trình lũ tại cửa ra sông Sài Gòn (trạm Phú An) và ra

sông Vàm cỏ Đông ( Rạch Ba Gốc, Chợ Đệm) của hệ thống là 1,54m (tương ứng mực

nước cao nhất quan trắc được trong khu vực nghiên cứu)

Phương án 2: lưu lượng vào hệ thống ứng với tần suất thiết kế 10 năm lặp lại,

mực nước không đổi trong quá trình lũ tại cửa ra sông Sài Gòn (trạm Phú An) và ra

sông Vàm cỏ Đông ( Rạch Ba Gốc, Chợ Đệm) của hệ thống là 1,43m

Phương án 3: lưu lượng vào hệ thống ứng với tần suất thiết kế 10 năm lặp lại,

mực nước không đổi trong quá trình lũ tại cửa ra sông Sài Gòn (trạm Phú An) và ra

sông Vàm cỏ Đông ( Rạch Ba Gốc, Chợ Đệm) của hệ thống là 1,32m

Phương án 4: lưu lượng vào hệ thống ứng với tần suất thiết kế 5 năm lặp lại,

mực nước không đổi trong quá trình lũ tại cửa ra sông Sài Gòn (trạm Phú An) và ra

sông Vàm cỏ Đông ( Rạch Ba Gốc, Chợ Đệm) của hệ thống là 1,32m (tương ứng mực

nước thiết kế : DWL, Reach 4, hình C.4.12, tr C-74, JICA [6])

Việc lựa chọn các phương án mực nước không đổi trong quá trình lũ là sự chọn lựa bất lợi cho việc thoát nước của hệ thống và là điều kiện có thể xảy ra (thủy triều cao kết hợp mưa tại chỗ, mưa-lũ thượng nguồn), do đó là hoàn toàn chấp nhận được

b Kết quả tính toán thuỷ lực:

Tổng hợp kết quả tính thủy lực hệ thống kênh Tàu Hũ-Bến nghé, Kênh Đôi Tẻ theo từng phương án được thể hiện ở các Bảng 4 Kết quả tính toán quá trình mực nước và lưu lượng theo phương án 4 được thể hiện ở Hình 4 và 5

Bảng 4: Tổng hợp kết quả tính toán thủy lực theo các phương án

Kênh

Khoảng

cách từ

sông Sài

Gòn

Phương án 1 Phương án 2 Phương án 3 Phương án 4

Z (m) Q+ Q-

Z (m) Q+ Q-

Z (m) Q+ Q-

Z (m) Q+ Q-

Tàu

Hũ-

Bến

Nghé

263 1.575 49.1 20.7 1.456 33.7 7.2 1.346 33.5 10.7 1.338 30.8 8.6

875 1.571 32.2 17.0 1.461 34.4 10.2 1.333 39.1 5.8 1.339 29.4 11.2

1575 1.603 43.8 12.0 1.458 34.7 10.4 1.341 30.5 6.6 1.349 25.8 8.6

2625 1.579 30.0 11.0 1.480 36.8 11.7 1.344 28.8 12.2 1.344 33.0 5.4

3500 1.600 76.3 59.8 1.476 43.0 19.6 1.369 35.4 16.1 1.360 47.4 18.4

3850 1.603 47.6 8.5 1.458 34.9 5.4 1.335 45.2 4.8 1.357 33.4 6.9

4500 1.571 53.2 7.0 1.461 35.3 9.1 1.357 38.5 9.7 1.341 35.6 7.2

4900 1.629 13.9 18.1 1.465 15.2 6.0 1.354 15.2 6.6 1.349 12.0 6.8

5600 1.604 23.0 14.9 1.457 16.3 10.0 1.359 17.9 9.8 1.344 12.2 8.2

6475 1.581 9.3 21.7 1.466 2.7 19.0 1.361 4.9 20.3 1.336 5.3 19.7

7175 1.591 18.6 12.3 1.449 22.0 5.4 1.345 16.1 3.5 1.347 16.9 4.6

7700 1.603 21.7 10.2 1.460 22.1 4.7 1.347 22.3 3.9 1.349 15.4 4.2

8225 1.597 64.2 6.0 1.480 67.9 4.6 1.358 67.7 0.9 1.360 56.6 4.5

8750 1.586 57.0 10.6 1.458 70.5 2.8 1.355 66.3 3.8 1.355 50.0 5.2

9100 1.578 86.7 10.4 1.478 66.7 4.5 1.357 65.2 0.3 1.353 50.9 1.8

9600 1.588 5.8 45.5 1.461 10.1 48.7 1.376 10.0 47.9 1.348 3.1 35.3

10150 1.594 6.6 55.4 1.464 3.5 44.0 1.377 1.7 51.1 1.352 3.2 38.6

10850 1.633 29.5 24.6 1.461 11.0 21.4 1.367 7.3 20.9 1.353 6.0 10.2

11200 1.594 15.4 24.4 1.497 11.2 17.7 1.388 7.1 15.7 1.374 8.7 12.1

11725 1.633 14.1 68.4 1.470 9.1 69.5 1.358 8.4 64.1 1.360 8.0 52.4

Kênh

Đôi-

kênh

Tẻ

263 1.643 165 35.8 1.467 239 6.9 1.373 211 9.7 1.356 182 1.2

2187 1.653 298 26.7 1.462 212 25.9 1.382 176 4.8 1.365 163 0.0

3237 1.625 250 36.6 1.465 188 17.3 1.365 169 24.3 1.358 169 24.4

3937 1.600 151 17.9 1.480 166 6.7 1.372 126 0.0 1.356 113 6.1

Kênh

Khoảng

cách từ

sông Sài

Gòn

Phương án 1 Phương án 2 Phương án 3 Phương án 4

Z (m) Q+ Q-

Z (m) Q+ Q-

Z (m) Q+ Q-

Z (m) Q+ Q-

4550 1.612 89.8 34.5 1.477 103 11.1 1.386 128 11.1 1.353 106 11.6

5075 1.603 119 35.8 1.453 123 4.8 1.357 115 10.6 1.386 92.3 0.0

5425 1.635 116 31.0 1.472 118 6.8 1.371 120 9.6 1.332 95.0 6.7

5950 1.608 156 93.2 1.489 107 21.4 1.356 86.1 0.0 1.346 81.5 9.7

6475 1.603 158 17.2 1.460 113 4.9 1.340 96.1 7.5 1.348 86.8 3.6

7000 1.572 106 18.2 1.460 76.8 4.5 1.355 80.5 15.8 1.351 69.0 8.8

7525 1.609 114 14.6 1.465 100 9.2 1.354 107 2.6 1.347 66.2 8.1

8050 1.631 92.0 37.4 1.459 53.8 7.6 1.340 75.1 0.9 1.345 65.6 12.5

8575 1.609 87.5 48.9 1.456 62.5 4.1 1.343 83.4 11.8 1.343 72.8 17.8

9450 1.528 60.6 90.8 1.450 17.6 70.2 1.379 14.0 49.4 1.358 18.6 61.0

9975 1.613 48.6 90.2 1.463 24.7 79.4 1.346 22.9 63.3 1.349 23.7 66.7

10500 1.585 22.0 91.5 1.449 20.2 82.4 1.349 15.6 73.0 1.342 24.7 61.6

11375 1.568 30.5 130 1.483 18.3 98.6 1.351 10.0 92.9 1.356 18.6 94.5

12250 1.606 26.3 80.1 1.462 10.2 96.3 1.345 10.2 115 1.350 12.3 88.0

13125 1.623 13.6 207 1.448 11.8 171 1.366 14.9 170 1.334 18.7 155

(Z: Mực nước thiết kế; Q+ : lưu lượng chảy về phía sông Sài Gòn; Q-: Lưu lượng chảy ra sông Bến Lức, Cần Giuộc)

1.24

1.26

1.28

1.30

1.32

1.34

1.36

1.38

1.40

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Thời gian (giờ)

K/c¸ch 11725 K/c¸ch 11200 K/c¸ch 10850 K/c¸ch 10150 K/c¸ch 9625 K/c¸ch 9100 K/c¸ch 8750 K/c¸ch 8225 K/c¸ch 7700 K/c¸ch 7175

Hình 4: Quá trình mực nước tính toán theo

phương án 4

-60 -40 -20 0 20 40 60 80

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Thời gian (giờ)

K/c¸ch 11725 K/c¸ch 11200 K/c¸ch 10850 K/c¸ch 10150 K/c¸ch 9625 K/c¸ch 9100 K/c¸ch 8750 K/c¸ch 8225 K/c¸ch 7700 K/c¸ch 7175

Hình 5: Quá trình lưu lượng nước tính

toán theo phương án 4

Phân tích tính hợp lý của kết quả tính toán cho thấy, đối với phương án 1, tổng lượng nước chảy ra phía sông Sài Gòn qua kênh Bến Nghé khoảng 400.680 m3, chảy qua kênh Tẻ khoảng 3.333.960 m3 Tổng lượng nước của hệ thống chảy về phía Nam

ra sông Bến Lức, Cần Giuộc qua kênh Đôi khoảng: 2.918.160 m3

- Tổng lượng ra ước tính bằng: 6.652.800 m3

- Tương ứng tổng lượng đến gần bằng: 61.7km2 (diện tích toàn vùng) x 128mm (lượng mưa thiết kế tần suất 10 năm lặp lại) x 0.842 (hệ số dòng chảy)

Như vậy, kết quả tính toán như vậy có thể xem là hợp lý và hoàn toàn chấp nhận được

Từ các kết quả tính toán thủy lực có thể nhận xét rằng đường mực nước thiết kế theo các phương án tính toán dọc sông thay đổi không đáng kể (Bảng 4) mặc dù dao động mực nước trong quá trình lũ biến đổi trên hoặc dưới 1,0m (Hình 4)

Theo kết quả tính toán có thể nhận thấy rằng mực nước thiết kế kênh Tàu Hũ-Bến Nghé tần suất trung bình 10 năm lặp lại có trị số nhỏ hơn và gần bằng 1,5m Lưu lượng thiết kế đối với kênh Bến Nghé theo phương án này vào khoảng 50,0m3

/s và 70,0m3/s đối với kênh Tàu Hũ, tương ứng với vận tốc thiết kế khoảng 0,25-0,30m/s Cũng cần lưu ý rằng kết quả tính lưu lượng và vận tốc trong trường hợp chọn lựa là bất lợi cho việc thoát nước mưa còn khả năng thực tế thoát nước của hệ thống kênh sẽ lớn hơn rất đáng kể nếu gặp các trường hợp thuận lợi hơn về điều kiện biên ra như không

bị ảnh hưởng của mưa tại chỗ và mưa-lũ thượng nguồn các sông Sài Gòn, hoặc sông Vàm Cỏ Đông, sông Bến Lức,

4 Kết luận

Hệ thống thoát nước Tầu Hũ-Bến Nghé, Đôi-Tẻ là một hệ thống liên kết phức tạp Tuy nhiên, việc lựa chọn hướng thoát nước chủ yếu trong nghiên cứu thiết kế và điều kiện biên trong trường hợp bất lợi đã đơn giản hóa bài toán nhưng có cơ sở khoa học và thực tiễn Việc áp dụng mô hình mưa-dòng chảy có tính đến thời gian tập trung dòng chảy để xác định điều kiện đầu vào của hệ thống và mô hình thủy lực để tính toán mực nước thiết kế không những đưa ra được kết quả tính toán theo yêu cầu đề ra

mà còn cung cấp các thông tin về quá trình vận động của sóng lũ theo các hướng thoát nước chính của hệ thống, tạo cơ sở để lựa chọn phương án thiết kế hợp lý và có hiệu quả

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Chương trình NCKH cấp nhà nước 42A (1989): Số liệu KTTV Việt Nam Tập 2: Tập số liệu Thủy văn

2 Công Ty thoát nước và Môi trường Việt Nam ,VIWASE (2004): Tính toán thủy văn-Thủy lực phục vụ thiết kế chi tiết hệ thống thoát nước lưu vực Tàu Hũ-Bến Nghé, Đôi-Tẻ, thành phố Hồ Chí Minh

3 GS TSKH Nguyễn Ân Niên (1991): Phương pháp giải các bài toán lũ trên sông Đại học Thủy lợi

4 JICA-HPC (1994): The study on urban drainage and wastewater disposal system

in Hanoi City Nippon Koei Co LTD Appendix C: Hydrology

5 JICA-PHCMC (1999): The study on urban drainage and sewerage system for Ho Chi Minh City in SPV Final Report Pacific Consultants International

6 Nguyễn Thanh Sơn, Lương Tuấn Anh (2003): Áp dụng mô hình thủy động lực

các phần tử hữu hạn mô tả quá trình mưa-dòng chảy Tạp chí Khoa học Đại học

Quốc gia Hà Nội, Khoa học Tự nhiên và Công Nghệ T.19, số 1-2003 tr 90-99

HYDROLOGIC AND HYDRAULIC COMPUTATION FOR DESIGN OF

TAU HU-BEN NGHE, DOI-TE CANAL SYSTEM

Lương Tuấn Anh, Lã Thanh Hà, Hoàng Văn Đại

Viet Nam Institute of Meteorology Hydrology and Environment

The paper presents the results for detail designed water level computation of Tau Hu-Ben Nghe, Doi-Te canal system of Ho Chi Minh city based on applying hydrologic model for runoff hydrograph and hydraulic model for rainfall water drainage along the main direction

of the drainage system with boundary condition determining from feasibility studies