DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT 1D và 2D Một và hai chiều 1, 2 Dimension trong mô hình toán Bộ NN&PTNT Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn CIWEM Cơ quan chuyên trách quản lý nước và
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM
VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI MIỀN NAM
TP Hồ Chí Minh, 2015
ĐẶNG THANH LÂM
XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍCH HỢP CHO TÍNH TOÁN
HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH TỔNG HỢP TIÊU THOÁT
NƯỚC ĐÔ THỊ VÙNG ẢNH HƯỞNG TRIỀU
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM
VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI MIỀN NAM
TP Hồ Chí Minh, 2015
ĐẶNG THANH LÂM
XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍCH HỢP CHO TÍNH TOÁN
HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH TỔNG HỢP TIÊU THOÁT
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung của Luận án này hoàn toàn được hình thành và phát triển từ những quan điểm của chính cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn khoa học của Gs.Ts Nguyễn Tất Đắc Các số liệu và kết quả có được trong Luận án là hoàn toàn trung thực
Tác giả luận án ĐẶNG THANH LÂM
Trang 4MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
MỤC LỤC ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT v
DANH MỤC CÁC BẢNG vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGẬP ÖNG ĐÔ THỊ, GIẢI PHÁP KỸ THUẬT CHỐNG NGẬP VÀ MÔ HÌNH TÍNH TIÊU THOÁT NƯỚC 5
1.1 NGẬP LỤT VÀ CÁC GIẢI PHÁP CHỐNG NGẬP CHO MỘT SỐ THÀNH PHỐ 5 1.1.1 Lịch sử phát triển kỹ thuật và quản lý tiêu thoát nước đô thị trên thế giới 5
1.1.2 Vài nét về tình hình ngập lụt trong và ngoài nước 5
1.1.3 Nguyên nhân ngập úng các thành phố 7
1.1.4 Giải pháp tổng hợp chống ngập đô thị 8
1.2 CÁC MÔ HÌNH TOÁN TÍNH TIÊU THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ 11
1.2.1 Một số khái niệm 11
1.2.2 Một số mô hình thủy văn đô thị 15
1.2.3 Một số mô hình thủy lực đô thị 19
1.3 NHẬN XÉT CHUNG VỀ TÍNH NĂNG CÁC MÔ HÌNH THỦY VĂN, THỦY LỰC ĐÔ THỊ 27
1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 29
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH DELTA-P NỐI GHÉP THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG VỚI THỦY LỰC SÔNG KÊNH 30
2.1 MÔĐUN THỦY LỰC DÒNG CHẢY TRONG SÔNG KÊNH DELTA 30
2.1.1 Hệ phương trình cơ bản cho dòng chảy 30
2.1.2 Điều kiện biên, điều kiện đầu, điều kiện tại các hợp lưu 31
2.1.3 Thuật toán giải số hệ phương trình Saint-Venant 32
Trang 52.1.4 Cách sơ đồ hóa hệ thống sông trong tính toán 43
2.1.5 Công thức truy đuổi để tính mực nước và lưu lượng trong từng nhánh sông trong trường hợp tính toán hệ thống sông 45
2.1.6 Xây dựng hệ phương trình có ẩn là mực nước tại các nút hợp lưu 46
2.1.7 Vấn đề thực hành khi thiết lập các hệ số của phương trình nút (2-36) và phương pháp giải 51
2.1.8 Thuật toán cho dòng chảy qua công trình 54
2.1.9 Thuật toán cho dòng chảy trên những ô đồng 62
2.1.10 Tính lượng mưa trên ô ruộng 70
2.2 MÔĐUN THỦY LỰC DÒNG CHẢY TRONG ĐƯỜNG ỐNG P 73
2.2.1 Phân tích quy luật dòng chảy trong cống ngầm 75
2.2.2 Nối mạng ống với nhau hoặc mạng ống với kênh 79
2.2.3 Cách giải số đối với bài toán đường ống 80
2.2.4 Tính toán mưa trong môđun P 83
2.3 TÍCH HỢP CSDL VÀ GIS CỦA PHẦN MỀM DELTA-P 84
2.3.1 Chức năng hệ thống 84
2.3.2 Tổng quan về cơ sở dữ liệu 84
2.3.3 Thiết kế giao diện màn hình sử dụng 85
2.3.4 Tổ chức mạng lưới sông kênh 87
2.3.5 Nhận xét: 87
2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 88
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG DELTA-P MÔ PHỎNG SÔNG KÊNH TP HỒ CHÍ MINH VÀ CỐNG LƯU VỰC TÂN HÓA – LÕ GỐM 89
3.1 ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN KHU VỰC TP HỒ CHÍ MINH 90
3.1.1 Vị trí địa lý 90
3.1.2 Đặc điểm địa hình 90
3.1.3 Đặc điểm khí hậu 90
3.1.4 Hệ thống sông kênh 91
3.1.5 Hệ thống cống thoát nước 93
Trang 63.2 NGẬP ÚNG ĐÔ THỊ Ở TP HỒ CHÍ MINH 94
3.2.1 Thực trạng và nguyên nhân ngập úng khu vực nội thành 94
3.2.2 Giải pháp chống úng ngập và ứng dụng mô hình toán 98
3.2.3 Nhận xét về ứng dụng các mô hình toán trong các dự án chống ngập 103
3.3 MÔ HÌNH THUỶ LỰC SÔNG KÊNH DELTA-P KHU VỰC TPHCM 105
3.3.1 Hệ thống tài liệu cho xây dựng mô hình 105
3.3.2 Xây dựng sơ đồ và hiệu chỉnh mô hình 105
3.3.3 Kết quả mô phỏng thủy lực sông kênh hạ lưu ĐNSG 106
3.3.4 Nhận xét kết quả tính toán bằng mô hình DELTA-P 111
3.4 MÔ HÌNH THUỶ LỰC ĐƯỜNG ỐNG DELTA-P KHU VỰC KÊNH TÂN HOÁ-LÒ GỐM 111
3.4.1 Phạm vi vùng nghiên cứu 111
3.4.2 Hệ thống kênh rạch, cống tiêu và công trình trên kênh 114
3.4.3 Tình hình ngập úng lưu vực Tân Hoá-Lò Gốm 116
3.4.4 Nguyên nhân, tồn tại và những giải pháp chống ngập úng lưu vực THLG 117
3.4.5 Tài liệu địa hình 118
3.4.6 Tài liệu mưa và thuỷ văn 119
3.4.7 Mô hình mạng đường ống 120
3.4.8 Điều kiện mưa và dòng chảy do mưa 120
3.4.9 Mô phỏng hiện trạng úng ngập tháng 10/2005 121
3.4.10 Mô phỏng phương án mở rộng, nạo vét kênh THLG (PA1) 125
3.4.11 Mô phỏng phương án mở kênh và nâng cấp đường ống tiêu nước (PA2) 126
3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 127
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 129
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 133
TÀI LIỆU THAM KHẢO 135
Trang 7DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT
1D và 2D Một và hai chiều (1, 2 Dimension) trong mô hình toán
Bộ NN&PTNT Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn
CIWEM Cơ quan chuyên trách quản lý nước và môi trường (Anh)
CSDL Cơ sở dữ liệu
ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long
ĐN-SG Đồng Nai-Sài Gòn
DHI Viện Thuỷ lực Đan Mạch (Danish Hydraulic Institute)
EPA (US) Cơ quan bảo vệ môi trường (Mỹ) (Environmental Protection
Agency) GIS Hệ thống thông tin địa lý (Georaphical Information System)
HD Thuỷ động lực học (Hydro-Dynamic)
JICA Cơ quan hợp tác quốc tế Nhật bản (Japan International
Cooperation Agency) NCS Nghiên cứu sinh
PCI Công ty tư vấn Thái Bình Dương (Pacific International Consultant) SWMM Mô hình quản lý nước mưa (Storm Water Management Model) THLG Tân Hóa - Lò Gốm
TP HCM Thành phố Hồ Chí Minh
ĐHCTCN Điều hành Chương trình chống ngập (Trung tâm thuộc UBND TP
HCM) UBND Ủy ban nhân dân
UDFCD Cơ quan phòng chống lũ và tiêu nước đô thị thuộc bang Colorado
Mỹ (Urban Drainage and Flood Control District) Viện KHTLMN Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam
Viện QHTLMN Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam
WASSP Bộ mô hình cống tiêu nước mưa của Đại học Wallingford
(Wallingford Storm Sewer Package)
Trang 8DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3-1: Diễn biến các điểm ngập do mưa vùng trung tâm thành phố 95
Bảng 3-2: Diễn biến các điểm ngập do triều 95
Bảng 3-3: Tổng hợp các thông số chính hệ thống kênh thuộc khu vực THLG 114
Bảng 3-4: Thống kê khu ngập lưu vực THLG 117
Trang 9DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1-1: Hình ảnh ngập úng do mưa (trái) và do triều cường (phải) ở TPHCM 6
Hình 1-2: Những nguyên nhân tự nhiên gây ngập úng TP Hồ Chí Minh 7
Hình 1-3: Sơ đồ các thành phần trong hệ thống thoát nước đô thị và các mô hình áp dụng10 Hình 1-4: Sơ đồ chu trình thuỷ văn lưu vực chưa đô thị hoá 11
Hình 1-5: Sơ đồ chu trình thuỷ văn lưu vực đô thị 12
Hình 1-6: Các đặc trưng thủy văn của lưu vực đô thị 13
Hình 1-7: Diễn biễn dòng chảy mưa lũ trên đô thị 14
Hình 1-8: Giao diện nhập thông số lưu vực mô hình Urban-A 17
Hình 1-9: Giao diện nhập thông số lưu vực mô hình Urban-B 17
Hình 1-10: Sơ đồ biểu diễn ngập úng bề mặt đường (hai chấm đỏ tròn) có cống ngầm 21
Hình 1-11: Kết quả kiểm định mô hình NAM và MIKE FLOOD sông Đáy-Nhuệ 23
Hình 1-12: Bản đồ ngập lụt tính toán bằng MIKE FLOOD cho lưu vực sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn TP Hà Nội 24
Hình 1-13: Sơ đồ hệ thống tiêu nước lưu vực Segunbagicha năm 1996 25
Hình 2-1: Mặt cắt ngang sông 31
Hình 2-2: Hợp lưu của ba nhánh sông 32
Hình 2-3: Vị trí tám mặt cắt trên một nhánh sông 33
Hình 2-4: Sơ đồ sai phân bốn điểm Preissmann 33
Hình 2-5: Sơ đồ rời rạc hóa một nhánh sông trong tính toán 38
Hình 2-6: Sơ đồ hóa nhánh sông thứ j 40
Hình 2-7: Các nhánh sông (có thể có) tại nút hợp lưu, trường hợp tính thủy lực kênh sông46 Hình 2-8: Nhánh trong nối 2 hợp lưu JV và I, các mặt cắt đánh số từ k1 tới kN 46
Hình 2-9: Nhánh trong nối hai hợp lưu I và JR , các mặt cắt đánh số từ i1 tới iN (nhánh chảy ra từ nút I) 47
Hình 2-10: Sơ đồ nhánh biên thứ m nối hợp lưu I với biên J (cho lưu lượng Q b) 47
Hình 2-11: Sơ đồ nhánh biên thứ m nối hợp lưu I với biên J (cho mực nước H b) 48
Trang 10Hình 2-12: Tính toán lưu lượng dòng chảy qua công trình 55
Hình 2-13: Sơ đồ hóa luật chảy qua công trình/cống 58
Hình 2-14: Cống có cửa kéo lên xuống (trái) và cống cánh cửa xoay ngang (phải) 58
Hình 2-15: Cách ghép công trình trong sơ đồ tính toán 59
Hình 2-16: Sơ đồ công trình 60
Hình 2-17: Khu/ô ruộng trữ nước trong tự nhiên 62
Hình 2-18: Sơ đồ chảy giữa sông và các ô ruộng 62
Hình 2-19: Một cách sơ đồ hoá dạng đường tràn 63
Hình 2-20: Sơ đồ điểm nối sông-ô ruộng (hay ô ruộng-ô ruộng) 64
Hình 2-21: Hai ô ruộng thực tế I và II (trái) với 4 điểm tiếp xúc (3 điểm tiếp xúc ruộng với sông và 1 điểm ruộng với ruộng) và cách lập kênh giả nối tâm ô ruộng với các điểm tiếp xúc trong mô hình (trái) 68
Hình 2-22: Sơ đồ tính toán ô ruộng 68
Hình 2-23: Sơ đồ các nhánh sông vị trí mặt cắt và công trình trong mô phỏng 69
Hình 2-24: Sơ đồ tính lượng mưa 71
Hình 2-25: Sơ đồ tổ chức của DELTA (có ghép môđun P) 72
Hình 2-26: Sơ đồ khối các trường hợp tính ứng với các điều kiện dòng chảy trong ống 74
Hình 2-27: Hình minh hoạ các trường hợp dòng chảy trong cống 74
Hình 2-28: Sơ đồ mạng đường ống-kênh 80
Hình 2-29: Các nhánh sông và đường cống ngầm (có thể có) tại nút hợp lưu sông I 82
Hình 2-30: Sơ đồ chức năng hệ thống trong mô hình DELTA-P 85
Hình 2-31: Giao diện tạo nhánh sông mới 86
Hình 2-32: Giao diện SectionFrom 86
Hình 2-33: Giao diện TreeNetForm 87
Hình 3-1: Bản đồ mạng lưới sông, kênh, rạch TP Hồ Chí Minh 92
Hình 3-2: Bản đồ hiện trạng úng ngập TP HCM 96
Hình 3-3: Bản đồ 6 lưu vực thoát nước mưa 99
Hình 3-4: Sơ đồ thủy lực mô hình DELTA-P vùng hạ lưu ĐN-SG 106
Trang 11Hình 3-5: Diễn biến mực nước tháng 2-2005 tại trạm Biên Hòa 107
Hình 3-6: Diễn biến mực nước tháng 3-2005 tại trạm Biên Hòa 108
Hình 3-7: Diễn biến mực nước tháng 4-2005 tại trạm Biên Hòa 108
Hình 3-8: Diễn biến mực nước tháng 2-2005 tại trạm Nhà Bè 108
Hình 3-9: Diễn biến mực nước tháng 3-2005 tại trạm Nhà Bè 109
Hình 3-10: Diễn biến mực nước tháng 4-2005 tại trạm Nhà Bè 109
Hình 3-11: Mực nước thực đo và mô phỏng tại Biên Hoà tháng 10-2005 110
Hình 3-12: Mực nước thực đo và mô phỏng tại Nhà Bè tháng 10-2005 110
Hình 3-13: Mực nước thực đo và mô phỏng tại Phú An tháng 10-2005 110
Hình 3-14: Mực nước mô phỏng tại Phú An, Bến Lức và cửa Lò Gốm tháng 10-2005 111
Hình 3-15: Bản đồ vị trí lưu vực Tân Hoá-Lò Gốm trong vùng nội thành TP HCM 112
Hình 3-16: Bản đồ các đơn vị hành chính trong lưu vực THLG 113
Hình 3-17: Hệ thống cống lưu vực THLG 115
Hình 3-18: Bản đồ vị trí các khu ngập lưu vực THLG theo điều tra 116
Hình 3-19: Bản đồ cao độ số vùng THLG 119
Hình 3-20: Sơ đồ mô hình hệ thống đường ống tiêu thoát nước lưu vực THLG 121
Hình 3-21: Biểu đồ diễn biến độ ngập trên đường phố ngày 01-09/10/2005 123
Hình 3-22: Biểu đồ diễn biến mực nước triều trên kênh ngày 01-09/10/2005 123
Hình 3-23: Mực nước tính toán hiện trạng năm 2005 tại một số nút cống lưu vực THLG và một nút kênh 124
Hình 3-24: Bản đồ ngập hiện trạng trận mưa tháng 10-2005 124
Hình 3-25: Bản đồ phân bố ngập lưu vực THLG phương án mở kênh 125 Hình 3-26: Bản đồ phân bố ngập lưu vực THLG phương án mở kênh và nâng cấp cống 126
Trang 12Cho đến nay, ở trong nước cũng như nước ngoài việc dùng mô hình toán để tính toán dòng chảy và lan truyền chất trên mạng kênh sông đã trở nên phổ biến và các mô hình toán trong lĩnh vực này cũng khá hoàn thiện Kỹ thuật tính toán tiêu thoát nước mưa cho thành phố qua mạng đường ống/cống ngầm cũng đã được biên
soạn thành giáo trình hay sổ tay (Trong luận án này mạng đường ống hay mạng
cống ngầm được hiểu là mạng đường ống có chiều dài không nhỏ hơn 5m được đặt ngầm dưới đất nhằm tiêu thoát nước mưa (hay nước thải, nước tràn) từ đường phố
ra sông kênh hay các khu trữ) Tuy nhiên, việc tính tiêu thoát nước mưa khi đổ vào
kênh rạch có chịu ảnh hưởng triều và ngay việc tính thủy lực mạng kênh có nối với đường ống/cống ngầm vẫn chưa được đề cập tới nhiều Các mô hình của nước ngoài như SWMM5 hay Mike-Urban cũng đã được thử nghiệm nhưng còn nhiều hạn chế nhất là khi mô phỏng ảnh hưởng triều đến dòng chảy trong ống gây ngập lụt như với điều kiện TP Hồ Chí Minh
Một hiện tượng được biết rất rõ là khi mưa to lại gặp triều cường trên mạng kênh rạch thì nước mưa khó tiêu thoát sinh ra ngập úng nhiều vùng; trường hợp này thường xuyên xảy ra với một số khu vực thuộc TP Hồ Chí Minh trong mùa mưa Với một số vùng và đường phố của TP Hồ Chí Minh khi không có mưa cũng bị ngập do triều cường, hoặc bị ngập sau mưa do nước mưa từ nơi khác chuyển tới Đã
Trang 13có tác giả thử xây dựng mô hình tính toán nhưng chỉ xét được trường hợp chảy ngập trong hệ cống ngầm và toàn bộ lượng mưa được xem như tập trung vào các miệng thu nước làm cho cột áp tại các miệng thu rất cao dẫn tới lưu lượng tiêu thoát rất lớn làm tăng đáng kể thời gian ngập lụt và độ ngập lụt Mặt khác với cách tính toán này không tính được sự ngập triều trong tính toán dòng chảy trong mạng ống/cống ngầm nối với mạng kênh rạch khi có mưa và không mưa trong vùng chịu ảnh hưởng của thủy triều Lượng mưa qua một số yếu tố điều tiết như mái nhà, cây cối,… sẽ tập trung trên lưu vực (chẳng hạn đường phố) rồi mới chảy dần vào các miệng thu cho nên trong trường hợp không mưa vẫn có một lớp nước trong đường cống và khi ngập triều thì có dòng chảy
Những tính toán mới đây cho dự án ngập úng TP Hồ Chí Minh,[4] mặc dù có tính mưa bằng Mike-Urban nhưng vẫn phải giả định mưa bao nhiêu tiêu hết ra kênh bấy nhiêu mà bỏ qua dòng chảy và vai trò trữ của hệ thống cống ngầm
Những đặc điểm nêu trên sẽ được tính tới trong việc xây dựng một phương pháp tính và bộ chương trình máy tính tương ứng 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 Bộ chương trình này được đặt tên là DELTA-P, là sự kết hợp hai mô hình thuỷ lực sông kênh DELTA (tiền thân là mô hình SAL của GS Nguyễn Tất Đắc) và mô đun dòng chảy trong cống ngầm (Pipe flow-P) Mô hình DELTA-P
đã được thử áp dụng cho mạng cống ngầm vùng Tân Hóa–Lò Gốm của TP Hồ Chí Minh với toàn mạng kênh sông chi tiết của hệ thống sông Đồng Nai-Sài Gòn trong điều kiện thủy văn của tháng 10/2005 Kết quả tính toán cho thấy tính hợp lý mong muốn của hiện tượng được mô phỏng, chẳng hạn ngập chỉ do triều cường hoặc khi không có mưa hoặc ngập khi đã hết mưa
Mục tiêu nghiên cứu:
Tận dụng khả năng của mô hình thuỷ lực sông kênh để nối ghép tính toán đồng thời với môđun cống ngầm nhằm áp dụng sát thực và chính xác hơn với điều kiện một số thành phố chịu ảnh hưởng đồng thời mưa lớn và triều cường ở nước ta
Trang 14Đồng thời, giải đáp một trong những tồn tại về giải pháp 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
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu là mô hình toán mô phỏng chế độ thuỷ văn-thuỷ lực sông kênh tự nhiên và mạng cống ngầm tiêu thoát nước đô thị
Phạm vi nghiên cứu là phát triển mới môđun thủy lực cống ngầm (gồm giải
số, lập trình, lập sơ đồ mạng cống và mô phỏng thử nghiệm) và tích hợp trong mô hình thủy lực sông kênh
Phương pháp nghiên cứu:
Tổng hợp và phân tích tài liệu;
Phương pháp thủy văn lưu vực;
Phương pháp thuỷ động lực học;
Phương pháp số (toán học);
Phương pháp lập trình và mô hình hóa;
Kỹ thuật GIS
Nội dung thực hiện:
Đánh giá về tình hình ngập úng đô thị trong và ngoài nước, nguyên nhân và giải pháp chống ngập
Nghiên cứu bổ sung cơ sở lý thuyết mô hình hóa thủy văn, thủy lực đô thị
Rà soát và cải tiến mô hình thuỷ động lực sông kênh kết nối với mô hình dòng chảy trong mạng cống ngầm để mô phỏng được dòng chảy và ngập lụt vùng ảnh hưởng thuỷ triều
Ứng dụng mô hình để mô phỏng thí điểm hệ thống sông kênh khu vực TP
Hồ Chí Minh và nối kết hệ thống cống ngầm vùng Tân Hóa-Lò Gốm
Sử dụng kỹ thuật GIS trình diễn kết quả mô phỏng úng ngập vùng nghiên cứu
Kết quả đạt được:
Trang 15Luận án luận giải tình hình ngập úng, nguyên nhân, các dự án và các vấn đề cần giải quyết, ứng dụng mô hình toán thủy văn, thủy lực giải quyết úng ngập đặc biệt với vùng ảnh hưởng triều
Nghiên cứu cách ghép nối mô hình thủy lực đường ống và thủy lực sông kênh với tên gọi DELTA-P
Nghiên cứu mô phỏng bài toán tiêu thoát nước lưu vực Tân Hoá-Lò Gốm thuộc TP Hồ Chí Minh, bao gồm kiểm định mô hình và tính toán, phân tích các phương án công trình chống ngập bằng mô hình thủy lực cống nối ghép với kênh
Tác giả 2 bài báo khoa học và đồng tác giả 4 bài báo khoa học liên quan đến luận án
Các đóng góp mới của luận án:
(1) Luận án đã xây dựng được cơ sở thuật toán và lập trình để xây dựng
được môđun P (Pipe flow) dùng trong tính toán thuỷ lực bài toán tiêu thoát nước đô
Xây dựng mô hình toán DELTA-P hoàn chỉnh và đã được kiểm nghiệm
Ý nghĩa thực tiễn:
Nghiên cứu đã phát triển được một công cụ mới để giải quyết bài toán tiêu thoát nước đô thị Công cụ này khả thi và ổn định với các bài toán lớn
Trang 16CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGẬP ÖNG ĐÔ THỊ, GIẢI PHÁP KỸ THUẬT CHỐNG NGẬP VÀ MÔ HÌNH
kỹ thuật công trình tiêu thoát nước đô thị như UDFCD của thành phố Denver bang Colorado thành lập năm 1969, cơ quan quản lý của Anh và Wale thành lập năm
1974
Đến những năm 1980 nhờ phát triển công nghệ phần cứng, phần mềm vi tính
mô phỏng hệ thống tiêu thoát nước đã làm tăng hiệu quả kinh tế của các công trình tiêu thoát nước và sáng tỏ nhiều vấn đề kỹ thuật Đến những năm 1990 thì vấn đề quản lý chất lượng nước thải được quan tâm giải quyết và cơ cấu tổ chức ngành nước và môi trường nước ở nhiều nơi được cải tổ
1.1.2 Vài nét về tình hình ngập lụt trong và ngoài nước
Ngập lụt là một trong những loại thiên tai gây nhiều thiệt hại nhất cho loài người, từ cổ chí kim, khắp nơi trên thế giới đã phải chịu những thảm họa khốc liệt
do ngập lụt gây nên
Ngày nay, các nhà thống kê học đã đưa ra những con số về sự gia tăng đến mức chóng mặt những thiệt hại do ngập lụt gây ra Nếu như đầu thế kỷ 20, trung
Trang 17bình mỗi năm trên thế giới, thiệt hại do ngập lụt vào khoảng 100 triệu đô la Mỹ, thì đến nửa sau của thế kỷ con số này đã vượt quá 1 tỷ, trong mười năm trở lại đây là trên 10 tỷ [4]
Việt Nam là một trong số các quốc gia đang phát triển phải thường xuyên đối mặt với các đợt lũ lụt nghiêm trọng gây ra chủ yếu bởi mưa gió mùa, bão nhiệt đới
và triều cường; mức độ xảy ra khá thường xuyên tại các thành phố như Hà Nội, TP
Hồ Chí Minh, Đà Nẵng và Cần Thơ [4]
- Tại Hà Nội, ngập lụt đang là một vấn đề lớn được các cấp các ngành quan tâm, đặc biệt trận lụt lịch sử tháng 11/2008 đã để lại tổn thất nặng nề
- TP Huế năm nào cũng bị ngập bởi 3‚4 trận lụt, ngập sâu nhất có nơi trên 4m,
ít nhất cũng 1‚2m, làm các cung điện thành Huế xuống cấp nghiêm trọng
- Tại TP Đà Nẵng mỗi khi có mưa lớn lại có hơn 30 điểm bị ngập úng nặng
- Các thành phố ở miền Tây Nam bộ nói chung và TP Cần Thơ (trung tâm kinh tế-văn hóa của miền Tây Nam bộ) nói riêng đang gặp phải vấn nạn ngập lụt, nhất là vào mùa nước nổi
Hình 1-1: Hình ảnh ngập úng do mưa (trái) và do triều cường (phải) ở TPHCM
- Tại TP Hồ Chí Minh, ngập lụt đang là một vấn đề hết sức bức xúc của chính quyền và nhân dân thành phố (minh họa cảnh ngập úng Hình 1-1) Cuộc họp bàn về giải pháp chống ngập cấp bách trên địa bàn giữa Phó Chủ tịch UBND TP HCM Nguyễn Hữu Tín với các sở, ngành và quận huyện chiều 21/10/2014 "nóng" hẳn vì tình hình ngập nước nghiêm trọng trong những ngày giữa tháng 10 bởi tình trạng ngập úng lại gia tăng từ 11 điểm năm 2013 lên 27 điểm năm 2014 [12] Hiện tượng
Trang 18ngập lụt ở TP Hồ Chí Minh bắt nguồn từ 3 yếu tố: lũ, triều cường và mưa lớn (Minh họa ở bản đồ Hình 1-2) [4] Những năm gần đây tiến trình đô thị hóa diễn ra mạnh
mẽ làm cho không gian chứa lũ bị co lại, sông rạch bị bồi lấp, hệ thống tiêu, thoát nước quá tải và xuống cấp, dẫn đến cao trình triều bị đẩy lên, tốc độ truyền triều cao hơn, thời gian lưu triều dài hơn gây nên ngập lụt kéo dài trên diện rộng vào mùa mưa và triều cường
Hình 1-2: Những nguyên nhân tự nhiên gây ngập úng TP Hồ Chí Minh
1.1.3 Nguyên nhân ngập úng các thành phố
Có thể nói, ngập lụt tại các thành phố lớn trên thế giới và trong nước xảy ra do một số nguyên nhân chính sau:
Trang 19- Thành phố đặt tại vị trí ven sông, biển, có địa hình cốt nền thấp;
- Do biến đổi khí hậu dẫn tới tình trạng mưa cực đoan, nước biển dâng cao đột ngột;
- Do lũ thượng nguồn đổ về;
- Do tốc độ đô thị hóa nhanh, dẫn tới không gian chứa lũ, thoát lũ bị co hẹp lại, lượng nước chảy tràn tại các đô thị tăng lên
Các trận lũ lớn tái diễn liên tục tại nhiều thành phố trên thế giới đã dẫn đến sự
ra đời của nhiều giải pháp nhằm giảm thiểu tác động của ngập lụt, bao gồm các giải pháp công trình và phi công trình
1.1.4 Giải pháp tổng hợp chống ngập đô thị
Giải pháp chống ngập đòi hỏi sự kết hợp toàn diện từ kế hoạch chiến lược tổng hợp, giải pháp quy hoạch đến thiết kế xây dựng và quản lý vận hành công trình Lấy ví dụ về Chiến lược tiêu thoát nước đô thị tổng hợp ở Anh quốc do các cơ quan ngành nước Anh quốc đang mong muốn xây dựng nhằm đề xuất kế hoạch tiêu thoát nước dài hạn (20 năm) nhằm tích cực, chủ động ứng phó với úng ngập và ô nhiễm đô thị [14] trong bối cảnh nước Anh liên tiếp xảy ra úng ngập nghiêm trọng các năm 2007, 2008, 2009, 2011 và 2012 Đồng thời, nhiều khó khăn trong công tác chống ngập úng do hệ thống tiêu thoát nước đô thị xuống cấp (khoảng 70% hệ thống đã trên 50 năm tuổi), dân số và hạ tầng tăng nhanh, nguy cơ biến đổi khí hậu
Theo quan điểm chiến lược tiêu nước đô thị tổng hợp, việc ứng dụng của mô hình toán nhằm: [14]
Trang 20- 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
CIWEM phân loại 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 sau: [14]
- 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
Trang 21Hình 1-3: Sơ đồ các thành phần trong hệ thống thoát nước đô thị và các mô hình áp dụng
Quan điểm 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 một chiều trong lòng dẫn
và (ii) Mô hình hai chiều (2D) ứng dụng 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
Ở Việt Nam trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu chống ngập úng đô thị với các giải pháp trạm bơm tiêu nước mưa (Hà Nội), đê bao chống lũ (Đà Nẵng) và công trình tổng hợp (cải tạo kênh, cống ngầm, đê bao, cống ngăn triều, trạm bơm tiêu) ở TP Hồ Chí Minh
Trang 221.2 CÁC MÔ HÌNH TOÁN TÍNH TIÊU THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ
1.2.1 Một số khái niệm
1.2.1.1 Chu trình thuỷ văn và ảnh hưởng của đô thị hóa
Chu trình thuỷ văn được trình bày theo nhiều dạng, nhưng tiêu chí chung đều giống nhau là minh hoạ 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 (Hình 1-1), trong đó có thành phần bốc hơi nước trở lại không khí để bắt đầu một chu trình mới
Hình 1-4: Sơ đồ chu trình thuỷ văn lưu vực chưa đô thị hoá
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 và các giếng khai thác nước ngầm cho sinh hoạt
và công nghiệp hậu quả là giảm tầng nước ngầm gây sụt lún đất, tăng dòng chảy mặt gây úng ngập; lượng nước bổ sung do nước cấp, nước thải Chu trình thuỷ văn
đô thị được mô tả trong Hình 1-2 với phần hệ thống hạ tầng tiêu thoát và điều tiết nước đặc thù của đô thị là các ô màu đậm trong sơ đồ
Trang 23Hình 1-5: Sơ đồ chu trình thuỷ văn lưu vực đô thị
Vai trò của lưu vực trong tiêu thoát nước đô thị: Vấn đề quan trọng liên
quan đến thuỷ văn đô thị là việc tính toán tiêu thoát nước bởi bề mặt đất bị biến đổi (bê tông hoá; san lấp hệ thống sông kênh, ao hồ) làm gia tăng dòng chảy bề mặt, giảm lượng thấm và trữ
Tính chất thủy văn lưu vực đô thị: Lưu vực (hay vùng tạo dòng chảy) 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 24Hình 1-6: Các đặc trưng thủy văn của lưu vực đô thị
Nguồn: [J.C.Y Guo, 2006] [20]
Lượng dòng chảy từ mưa do lưu vực tạo ra phụ thuộc vào các đặc trưng lưu vực như các loại hình tổn thất, tính chất đất, các khu trữ và bề mặt bê tông hóa Sự tập trung dòng chảy phụ thuộc vào các yếu tố như hình dạng, độ dốc lưu vực và thảm phủ bề mặt lưu vực Hình 1-3 mô tả một số đặc tính lưu vực như:
- Khu trữ trũng tự nhiên làm chậm dòng chảy mặt;
- Khu điều tiết nhân tạo làm giảm lượng dòng chảy;
- Đường cao tốc làm cản trở dòng chảy bề mặt và có thể làm thay đổi ranh giới lưu vực nếu không có cống qua đường;
- Một số yếu tố khác như hệ thống cống ngầm tiêu nước, địa vật bề mặt, tỷ
lệ bê tông hóa bề mặt cũng sẽ làm thay đổi tính chất dòng chảy bề mặt lưu vực
Để tính toán lượng dòng chảy mặt lưu vực ngoài việc xác định đúng ranh giới lưu vực còn phải chọn những phương pháp tính toán thích hợp
1.2.1.2 Chu trình dòng chảy trong đô thị
Trang 25Sơ đồ Hình 1-4 diễn tả chu trình dòng chảy mưa lũ (các mũi tên) 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
Hình 1-7: Diễn biễn dòng chảy mưa lũ trên đô thị
Nguồn: [J.C.Y Guo, 2006]
Những năm gần đây một số cơ quan nghiên cứu khoa học và cơ quan tư vấn quy hoạch đô thị sử dụng phần mềm mưa-dòng chảy đô thị (MIKE RR), thuỷ lực sông kênh và thủy lực đường ống để mô phỏng hệ thống tiêu thoát nước nhằm tìm được các phương án tiêu thoát nước phù hợp Mô hình được ứng dụng khá rộng rãi ngoài nước như SWMM, mô hình họ MIKE (MOUSE, URBAN và FLOOD) và mô hình đang phát triển trong nước như F28
Trang 26Với 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
Trong mục 1.2.3 luận án giới thiệu các mô hình SWMM, họ mô hình MIKE,
và mô hình F28
1.2.2 Một số mô hình thủy văn đô thị
Trong tính toán thuỷ văn (mưa-dòng chảy) đô thị có các phương pháp tính toán, thường đi cùng với bộ mô hình thuỷ lực đường ống, bao gồm cả công thức kinh nghiệm và mô hình toán Điều kiện áp dụng của mỗi phương pháp có độ chính xác khác nhau tùy thuộc vào mức độ chi tiết của phương pháp tính đồng thời với yêu cầu chi tiết của tài liệu cho tính toán Một số phương pháp tính toán phổ biến như sau:
1.2.2.1 Phương pháp kinh nghiệm
- Phương pháp căn nguyên dòng chảy (Rational):
(trong đó: Cv là hệ số tổng lượng dòng chảy, Cr là hệ số hình dạng, i là độ dốc lưu vực, F là diện tích lưu vực) Công thức thường dùng tính biểu đồ dòng chảy
lũ thiết kế của lưu vực trên cơ sở kinh nghiệm chuyên gia và thường có sẵn giá môđun dòng chảy lũ của lưu vực Việc áp dụng cho lưu vực đô thị có bề mặt thay đổi phức tạp thường không chính xác
1.2.2.2 Phương pháp mô hình thuỷ văn Viện Thuỷ lực Đan Mạch (Mike-RR)
Bộ mô hình thuỷ lực của Viện Thuỷ lực Đan Mạch rất nổi tiếng trên thế giới với các mô hình thuỷ lực như Mike11, Mike21, Mike3, Mike SHE và Mike Flood nhằm mô phỏng chế độ thuỷ lực 1, 2 và 3 chiều và chất lượng nước trong hệ thống sông kênh, hồ chứa, cửa sông ven biển và mối liên quan nước mặt và tầng nước ngầm Trong mỗi mô hình khi mô phỏng thuỷ lực sông có gắn với lưu vực sông cần
sử dụng các mô hình thuỷ văn Các mô hình thuỷ văn được sử dụng trong bộ mô hình gồm:
Trang 27a) Mô hình mưa-dòng chảy NAM [15]
NAM là mô hình mưa-dòng chảy khái niệm, tất định và thông số gộp NAM
mô tả lưu vực với 4 tầng chứa thuộc tầng bề mặt và tầng rễ cây NAM có 9 thông số
mô tả đặc tính thuỷ văn bề mặt, tầng rễ cây và tầng nước ngầm
Các thông số dòng chảy mặt gồm Hệ số dòng chảy mặt và Hằng số thời gian diễn toán dòng chảy (Overland flow runoff coeff và Time constant for routing interflow) Cấu trúc và các thông số trong mô hình NAM như vậy không phù hợp với lưu vực đô thị vì không có thông số phản ánh tính chất đặc thù của bề mặt lưu vực đô thị được phân chia thành các bộ phận nhỏ bởi hạ tầng đô thị và có mức độ thấm nước rất khác nhau do sự bê tông hóa
b) Mô hình biểu đồ đơn vị mưa-dòng chảy (UHM) [15]
Mô hình biểu đồ đơn vị sẽ dùng để tính toán dòng chảy từ mưa lưu vực trong trường hợp không có số liệu đo dòng chảy trên sông và ở lưu vực đó đã thiết lập biểu đồ đơn vị Mô hình gồm có một số biểu đồ đơn vị để tính dòng chảy từ các trận mưa đơn lẻ Mô hình chia lượng mưa thành hai thành phần là lượng nước tạo dòng chảy và lượng nước tổn thất do thấm
Mô hình biểu đồ mưa đơn vị có thể áp dụng tính mưa đô thị Nhưng trước hết phải lập biểu đồ mưa đơn vị
Tuy nhiên khi mô phỏng lưu vực đô thị với các kịch bản đô thị hoá khác nhau thì mô hình biểu đồ đơn vị thiếu thông số để tính toán chính xác
c) Mô hình mưa-dòng chảy SMAP [15]
SMAP là mô hình mưa-dòng chảy dạng khái niệm thông số gộp SMAP thiết
kế để tính dòng chảy dựa trên số liệu mưa tháng Mô hình để dùng cho các nghiên cứu quy hoạch lưu vực hay tính toán điều tiết hồ chứa Với chức năng như vậy SMAP không thích hợp cho tính toán thủy văn đô thị
d) Mô hình mưa-dòng chảy Urban [15]
Trang 28Với tên Urban (đô thị), mô hình này có nghĩa được thiết kế để tính toán thuỷ văn đô thị Mô hình có hai dạng, dạng A-sử dụng phương pháp tỷ lệ Thời gian/diện tích, dạng B-sử dụng phương pháp hồ phi tuyến (sóng động học)
Hình 1-8: Giao diện nhập
thông số lưu vực mô hình
Urban-A
Mô hình Urban-A xác định tỷ lệ diện tích không thấm và có các thông số cơ
bản như Thời gian tập trung dòng chảy, Tổn thất ban đầu, Hệ số triết giảm và chọn dạng đường quan hệ Thời gian-Diện tích Giao diện mô hình như Hình 1-5
Hình 1-9: Giao diện nhập
thông số lưu vực mô hình
Urban-B
Trang 29Mô hình Urban-B cần xác định chiều dài và độ dốc lưu vực, mỗi lưu vực cần
phân chia diện tích thấm và không thấm Vùng không thấm cần xác định phần lưu vực dốc và phẳng Vùng thấm cần xác định diện tích thấm ít, thấm trung bình và thấm nhiều Mỗi vùng của lưu vực đều có hệ số cản dòng chảy Manning Giao diện
mô hình như Hình 1-6
Với tính năng như vậy, mô hình Urban là thích hợp để tính toán mưa-dòng chảy đô thị với yêu cầu số liệu không quá phức tạp và thể hiện được đặc trưng lưu vực với mức đô thị hoá khác nhau
e) Mô hình mưa-dòng chảy lũ FEH [15]
Tên mô hình là cụm từ ‘cẩm nang tính toán lũ’ viết tắt Mô hình có các tính năng:
- Tính mưa tần suất,
- Tính toán thống kê xác định tần suất lũ,
- Ứng dụng phương pháp tính mưa-dòng chảy,
f) Mô hình mưa-dòng chảy lũ DRiFt [15]
DRiFt (viết tắt của cụm từ ‘Dự báo dòng chảy sông’) là mô hình mưa-dòng chảy thông số bán phân bố dựa trên tiếp cận hình thái lưu vực Mô hình cho phép xem xét đặc trưng địa hình bề mặt lưu vực, biến đổi đặc trưng đất trên lưu vực và dạng mưa
- Hình thái sông cần sử dụng mô hình cao độ số
- Thông số bề mặt lưu vực gồm lưu tốc dòng chảy trong sông và trên sườn dốc lưu vực
Với tính năng như vậy, mô hình DRiFt cũng không thích hợp để tính thuỷ văn đô thị
Trang 301.2.2.3 Mô hình thuỷ văn của Cục Công binh Hoa kỳ (HEC-HMS)
Hệ thống mô hình thuỷ văn HEC-HMS [22] được thiết lập để mô phỏng quá trình mưa-dòng chảy của lưu vực Hệ thống có thể ứng dụng cho nhiều dạng lưu vực và nhiều vấn đề thuỷ văn, bao gồm cấp nước, thuỷ văn lũ, vùng đô thị nhỏ hay lưu vực tự nhiên Biểu đồ dòng chảy do HEC-HMS mô phỏng được nối kết trực tiếp với các mô hình tiêu thoát nước đô thị, dự báo lũ, mô hình đánh giá ảnh hưởng đô thị hoá, thiết kế tràn xả hồ chứa, điều tiết và giảm nhẹ lũ và vận hành hệ thống thuỷ lợi
Một số mô hình mưa-dòng chảy được sử dụng trong HEC-HMS gồm:
- Mô hình biểu đồ đơn vị với các phiên bản truyền thống và các phiên bản được cải tiến bởi Snyder, Cơ quan bảo tồn đất đai, Clark và có thể do người sử dụng diễn toán
- Mô hình sóng động học như được mô tả trong bộ Mike-RRM
Nhìn chung, bộ mô hình mưa-dòng chảy HEC-HMS chưa thích hợp cho loại
mô hình thuỷ văn đô thị có đặc thù bề mặt không thấm và được điều tiết bởi hệ thống cơ sở hạ tầng và hệ thống thoát nước nhân tạo
1.2.2.4 Nhận xét về mô hình thuỷ văn đô thị
Trong các loại mô hình được nêu trên, loại 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 và đáp ứng các tiêu chí mô phỏng bài toán mưa-dòng chảy phục vụ quy hoạch và thiết
Trang 31dòng 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 một chiều không ổn định [21]
Phương pháp giải: Giải hệ Saint Venant cho hệ đường ống bằng sơ đồ sai
phân hữu hạn và phương pháp giải hiện
Điều kiện chảy bình thường: SWMM dùng hệ phương trình Saint-Venant
để mô tả cả dòng chảy trong kênh và trong đường ống, tuy nhiên dòng chảy trong đường ống thường có các chế độ chảy ngập hay tự do, có áp hay không có áp, tức là phải tính tới tổn thất cột áp Như vậy khi dùng chung hệ Saint-Venant sẽ không phản ánh được các tổn thất Thông thường trong đường ống các nhà kỹ thuật thường dùng tích phân Bernoulli
Quá tải hố ga: SWMM quan niệm điều kiện quá tải hố ga khi mức nước
vượt đỉnh ống nối vào nút Trong điều kiện đó diện tích bề mặt ống kín bằng zero
và phương trình cơ bản không áp dụng được Để giải quyết vấn đề này, SWMM thay thế phương án điều kiện liên tục tại nút với giả thiết tổng dòng chảy tràn từ nút bằng tổng dòng chảy vào, ΣQ = 0 Với giả thiết đó cũng không đủ điều kiện tính mực nước tại nút ở bước thời gian kế tiếp do phương trình chỉ có biến dòng lưu lượng Hơn nữa, vì phương trình tính lưu lượng và mực nước trong hệ thống không giải đồng thời, nên không đảm bảo những điều kiện tại nút tràn sau khi giải phương trình lưu lượng
Trạm bơm, ống vòi và cống đập: Mô hình mô phỏng các loại công trình nối
với 2 nút Dòng chảy qua công trình sẽ tính toán trên số liệu mực nước các nút Riêng trạm bơm cần gán điều kiện vận hành như mực nước tại điểm kiểm soát, chênh cột nước các nút
Chi tiết về thuật toán và phương pháp giải bài toán thuỷ lực trong SWMM được trình bày trong tài liệu kỹ thuật [21]
Cách tính mưa-dòng chảy:Dòng chảy do mưa được tính toán trong các tiểu lưu vực (catchment) Đặc trưng vật lý của tiểu lưu vực bao gồm đặc trưng hình học, vùng thấm và không thấm, lượng trữ bề mặt và diễn toán dòng chảy giữa và tiểu lưu vực
Trang 32Lượng dòng chảy từ tiểu lưu vực được nhập vào các nút cống hoặc kênh Cách tính mưa trong SWMM cũng phản ánh được tính chất mưa-dòng chảy vùng đô thị
a) Ứng dụng của SWMM mô phỏng cống thoát nước ở TP Hồ Chí Minh
Tác giả Hồ Long Phi [3] ứng dụng mô hình SWMM mô phỏng thủy lực trên
mô hình SWMM và mô phỏng những điều tra thực tế cho tuyến cống thoát nước đường phố Hình 1-7 thể hiện mô phỏng ngập trên đường Lê Văn Thọ quận Gò Vấp cho thấy một khi khả năng thoát nước của đoạn cống hạ lưu bị cản trở bởi thủy triều, đường áp lực trong cống dâng lên rất nhanh và gây ngập cả những khu vực có cao độ trên 5m
Hình 1-10: Sơ đồ biểu diễn ngập úng bề mặt đường (hai chấm đỏ tròn) có cống ngầm
Hạn chế của mô hình SWMM trong nghiên cứu này: Tuy tác giả đã nhận
định việc áp dụng mô hình SWMM mô phỏng được sự quá tải của đường ống gây ngập ứng đường phố và tác động của việc nạo vét kênh Tham Lương-Bến Cát là giảm mực nước trên kênh Tuy nhiên, kết quả tính toán chưa thể hiện tác động của thủy triều vào hệ thống cống ngầm
b) Ứng dụng của SWMM ở lưu vực Tham Lương-Bến Cát
Nhóm tác giả Lê Trung Thành và Trần Hữu Hoàng [6] đã ứng dụng phần mềm SWMM cho bài toán thuỷ lực tiêu thoát nước cho lưu vực kênh Tham Lương-
Trang 33Bến Cát-Nước Lên là khu vực thuộc quận ven đô TP Hồ Chí Minh, trong địa bàn có nhiều khu công nghiệp, hệ thống kênh rạch gồm các đường ống tiêu thoát kết hợp
hệ thống kênh mương nối với sông Sài Gòn và chịu ảnh hưởng triều
Dòng chảy do mưa lấy hệ số dòng chảy theo kinh nghiệm với môđun dòng chảy khoảng 70-100 l/s/ha nhập vào các nút của mô hình cống
Diễn biến mực nước tại Vàm Thuật trên sông Sài Gòn và Chợ Đệm trên sông Bến Lức (từ kết quả bài toán thuỷ lực sông kênh toàn vùng hạ lưu sông Đồng Nai-Sài Gòn) làm điều kiện biên cho mô hình SWMM kênh Tham Lương-Bến Cát-Nước Lên
Kết quả tính toán:
Phương án tính toán có trận mưa tiêu có thời gian trùng với đỉnh triều Kết quả tính toán mực nước một số vị trí trên kênh Tham Lương-Bến Cát-Nước Lên được so sánh phù hợp với kết quả tính của mô hình VRSAP [6]
Hạn chế của mô hình SWMM:
Mô hình SWMM trong nghiên cứu này không tính toán thuỷ lực sông kênh toàn mạng mà phải dùng mô hình toàn mạng khác để tính và xác định biên mực nước hai đầu kênh Tham Lương-Nước Lên
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
Thiếu số liệu đo đạc mực nước trên kênh và điều tra ngập úng trên đô thị là hạn chế lớn để đánh giá kết quả nghiên cứu mô phỏng tiêu thoát nước đô thị bằng SWMM
1.2.3.2 Mô hình Mike
a) Cơ sở lý thuyết nhóm mô hình MIKE
Cơ sở lý thuyết về mô hình thuỷ lực đường ống MOUSE [16], thuỷ lực một chiều sông kênh MIKE11 [17] hay thuỷ lực hai chiều MIKE21 [18] được phát triển mạnh và phổ biến rộng rãi theo hình thức thương mại
Trang 34Bộ mô hình có môđun đường ống MOUSE có thể liên kết với MIKE11 và MIKE21 có thể liên kết với nhau thành bộ MIKE URBAN (MOUSE-MIKE21) hay MIKE FLOOD (cả 3 môđun kết hợp) Cách giải quyết ảnh hưởng của triều trong URBAN theo nguyên lý cái nọ là hệ quả của cái kia và theo từng môđun độc lập
Bộ mô hình thích hợp giải quyết bài toán thủy lực cống ngầm nối với sông kênh trên địa bàn rộng như TP Hồ Chí Minh đòi hỏi bộ môđun MOUSE-MIKE11 Tuy nhiên, cặp môđun này hầu như chưa thấy công bố nghiên cứu ứng dụng trong
và ngoài nước
b) Ứng dụng MIKE FLOOD tính toán ngập úng sông Nhuệ-Đáy
Nhóm tác giả [2] đã sử dụng MIKE FLOOD làm công cụ mô phỏng ngập lụt
hệ thống sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn TP Hà Nội Trong đó, mô hình NAM được
sử dụng để xây dựng chuỗi số liệu dòng chảy từ mưa làm điều kiện biên cho mô hình MIKE FLOOD Bộ thông số mô hình kết nối 1-2 chiều được hiệu chỉnh và kiểm định cho hai trận lũ lớn năm 1984 và 2008 tại trạm Phủ Lý (Hình 1-8)
Hình 1-11: Kết quả kiểm định mô hình NAM và MIKE FLOOD sông Đáy-Nhuệ
Trang 35Hình 1-12: Bản đồ ngập lụt tính
toán bằng MIKE FLOOD cho lưu
vực sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn
TP Hà Nội
Hạn chế: Mô hình MIKE FLOOD đã mô phỏng tốt diện úng ngập trên địa
bàn TP Hà Nội (Hình 1-9) Tuy nhiên kết quả tính toán không bao gồm hệ thống cống ngầm và điều kiện biên không ảnh hưởng triều
c) Mô phỏng ngập úng đô thị Dhaka thuộc Bangladesh bằng MOUSE
Thành phố Dhaka đang chịu vấn đề ngập úng đô thị nghiêm trọng Thành phố có hệ thống đê vành đai chống lũ trên sông Vào mùa mưa lũ nước sông cao hơn mặt đất đô thị làm cho việc tiêu thoát nước khó khăn
Nhóm tác giả [13] ứng dụng mô hình toán MOUSE mô phỏng hệ thống cống ngầm tiêu nước liên kết với tính toán dòng chảy bề mặt (sơ đồ thủy lực Hình 1-10)
Mô hình dùng để mô phỏng hiện trạng ngập úng và một số phương án chống ngập
Mô phỏng khu ngập:
Khi mô hình MOUSE tính toán mực nước trong hố ga cao hơn mặt đất sẽ xảy ra hiện tượng úng ngập bề mặt
Trang 36Mô phỏng ngập úng năm 1996: Hệ thống tiêu nước thời kỳ năm 1996 khi
chưa hoàn thành tuyến cống hộp quan trọng nên các hệ thống tiêu nước còn khó khăn để thu gom nước vào kênh tiêu
Mô phỏng hiện trạng hệ thống tiêu nước: Với hệ thống công trình tiêu thoát
nước năm 1996 và hiện trạng đều cho thấy ngập úng cục bộ trên đường phố Shantinagar với độ sâu ngập 55 cm trong vòng 16 giờ Nguyên nhân ngập được khẳng đinh là do hệ thống cống ngầm và hố ga thoát nước chưa đủ khả năng tiêu thoát nước mưa
Giải pháp chống ngập: Kết quả mô hình cho thấy hệ thống cống ngầm thoát nước chưa hợp lý, xảy ra hiện tượng thắt cổ chai ở khu vực thoát nước làm ngập úng bề mặt đô thị Biện pháp cải tạo đường ống thoát nước hợp lý giảm được úng ngập ở khu vực nghiên cứu
Hình 1-13: Sơ đồ hệ thống tiêu
nước lưu vực Segunbagicha
năm 1996
Nhận xét: Mô hình thủy lực đô thị MOUSE kết hợp GIS đã mô phỏng được
hiện trạng úng ngập Tuy nhiên, ứng dụng ở đây chỉ mô phỏng được hệ thống cống ngầm và một đoạn kênh đô thị mà chưa xem xét được tổng thể vấn đề bài toán đường ống nối ghép với hệ sông kênh
1.2.3.3 Mô hình F28
Tác giả Lê Song Giang nhận thấy rằng những phần mềm tính toán tiêu thoát nước đô thị được sử dụng miễn phí như SWMM thì tính năng khá hạn chế, phần
Trang 37mềm mạnh như MOUSE có giá khá cao và không thể thay đổi quy trình tính toán nếu có nhu cầu [5], do đó phần mềm F28 được xây dựng Trong F28 các môđun tính toán các dòng chảy được phát triển là: dòng chảy trên mặt đất (rainfall-runoff); dòng chảy trong cống và trên mặt đường; dòng chảy một chiều trong kênh/sông; dòng chảy hai chiều trong các khu trũng, ngập Tất cả các môđun tính toán đó đều dùng phương pháp thể tích hữu hạn để giải các phương trình cơ bản Ngoài ra việc kết nối giữa các môđun cũng đã được quan tâm sao cho việc nối tiếp giữa các dòng chảy phải thoả điều kiện bảo toàn cả về thể tích lẫn động lượng
Mô hình F28 tính toán dòng chảy tràn trên bề mặt lưu vực (môđun mưa dòng chảy) theo hai phương pháp: bể chứa phi tuyến và sóng động lực học
rào-Phương pháp tính mưa rào dòng chảy của F28 cũng chưa quan tâm đến việc phân chia bề mặt lưu vực thành các bộ phận thấm và không thấm rất đặc trưng của
đô thị
Dòng chảy trong kênh, sông được coi là một chiều và được mô tả bởi phương trình Saint–Venant
Dòng chảy trong cống và trên đường:
Dòng chảy trong cống về bản chất cũng là 1 chiều, nhưng có lúc ở trạng thái không áp, có lúc lại ở trạng thái có áp Mô hình thiết lập 3 trạng thái dòng chảy:
không áp, có áp nhưng hố ga chưa ngập và có áp với hố ga ngập (có khả năng thiếu
trường hợp chế độ dòng chảy một đầu ngập, một đầu không ngập)
Mô phỏng dòng chảy trong cống nối với kênh vùng triều:
Mô hình F28 được thử nghiệm với hai trường hợp:
- Trường hợp đơn giản là mô phỏng đoạn cống có lưu lượng nhập vào hố ga
và cửa cống có mực nước biến đổi theo quy luật hình ‘sin’ Kết quả mô phỏng cho thấy mực nước tại hố ga biển đổi theo xu thế mực nước biên
- Trường hợp phức tạp là mô hình hệ thống cống khu vực Thủ Thiêm TP Hồ Chí Minh gắn với mô hình sông kênh Đồng Nai-Sài Gòn trong điều kiện mưa và ảnh hưởng triều Mô hình đã mô phỏng độ ngập do mưa hợp lý Tuy nhiên, ảnh
Trang 38hưởng triều vào hệ thống cống chưa nhận thấy được bởi cao trình mặt đất 2,5m) cao hơn đỉnh triều (1,35m)
Nhận xét: Mô hình F28 đã mô phỏng được hệ thống đường ống nối với mạng
sông kênh và mô phỏng được hiện tượng úng ngập do mưa lớn Một số ví dụ khác của nghiên cứu mô hình F28 cũng trình bày kết quả mô phỏng dòng chảy bãi tràn với kênh, chảy qua công trình và chảy từ mặt đường xuống cống ngầm Tuy nhiên, vấn đề ảnh hưởng triều vào hệ thống cống ngầm chưa được phân tích trình bày trong nghiên cứu Trong tính toán cũng không sử dụng mực nước thực đo trên sông
và điều tra điểm ngập trên đô thị để kiểm định mô hình sông kênh và mô hình cống ngầm đô thị
1.3 NHẬN XÉT CHUNG VỀ TÍNH NĂNG CÁC MÔ HÌNH THỦY VĂN, THỦY LỰC ĐÔ THỊ
Nhận thấy sự xuất hiện của công nghệ thông tin và mô hình toán thủy lực sông kênh và cống ngầm đô thị đã khẳng định tiến bộ vượt trội trong kỹ thuật tiêu thoát nước đô thị, nhiều tổ chức ngoài nước đã tích cực phát triển công cụ mô hình dùng riêng cho các tổ chức ngành nước (như EPA Mỹ có SWMM, Wallingford Anh quốc có WASSP) hay mang tính thương mại (như DHI có Mike11, MOUSE và Mike Urban)
Trong nước hiện có mô hình thủy lực sông kênh phát triển mạnh mẽ trong nước với các mô hình DELTA, VRSAP, KOD, HYDRO-GIS, MK4 và nhiều ứng dụng nghiên cứu bài toán chống ngập úng vòng ngoài khá hiệu quả cho khu vực TP
Hồ Chí Minh nói riêng và vùng ĐBSCL cũng như các lưu vực sông khác ở Việt Nam Tuy nhiên, thực hiện bài toán chống ngập úng đô thị thường ngập do mưa lớn
Trang 39và ảnh hưởng triều và lũ rất phức tạp đòi hòi giải pháp đồng bộ giữa công trình vòng ngoài và hệ thống cống ngầm tiêu nước Một số mô hình ngoại nhập đã giới thiệu có tính năng mô phỏng nhưng chưa thể hiện được tính khả thi cho hệ thống cống phức tạp ở TP Hồ Chí Minh hay hệ thống sông kênh phức tạp ở vùng ĐBSCL chịu ảnh hưởng của thủy triều bởi sự phức tạp trong lập mô hình và thuật toán giải chưa đủ mạnh
Những ứng dụng của các mô hình nêu trên đều hướng đến giải quyết vấn đề tiêu thoát nước đô thị do ảnh hưởng của lũ, triều trên sông và mưa trên đô thị Yêu cầu đối với mô hình toán phải mô phỏng được chu trình thuỷ văn, thuỷ lực từ mưa rơi xuống bề mặt đô thị, chảy qua cống ngầm và đổ ra sông, kênh chịu ảnh hưởng lũ
và triều Thực tế những mô hình mô phỏng được từng phần hiện trạng úng ngập đô thị, phân tích được nguyên nhân ngập úng và tính toán phương án chống ngập Tuy nhiên các mô hình còn hạn chế trong ứng dụng như sau:
- Các mô hình thủy lực đô thị như SWMM, MOUSE hay MIKE URBAN chỉ
có khả năng giải quyết vấn đề ngập úng do hệ thống cống ngầm và kênh nội
đô mà chưa mô phỏng được hệ thống sông kênh lớn với những công trình kiểm soát lũ, triều và tương tác sông với bãi tràn lũ và với hệ thống đường ống thoát
- Mô hình thủy lực sông kênh MIKE11, VRSAP mô phỏng được lũ sông, bãi tràn, công trình kiểm soát lũ và triều sông nhưng chưa mô phỏng được hệ thống cống ngầm
- Mô hình F28 đã trình bày về cơ sở lý thuyết mô hình nối ghép thủy lực sông kênh và hệ thống cống ngầm nhưng kết quả phân tích chủ yếu là vấn đề thủy lực đường ống nối ghép với thủy lực đường phố mà chưa giải quyết chặt chẽ
về mặt thực hành bài toán tương tác thủy lực sông kênh và đường ống
- Mô hình MIKE FLOOD đã có cơ sở lý thuyết nối ghép các mô hình thủy lực sông kênh và thủy lực đường ống thoát nước đô thị theo nguyên lý cái nọ là
hệ quả của cái kia, nhưng các ứng dụng ở trong và ngoài nước chưa có để chứng tỏ khả năng của mô hình kênh và cống kết hợp
Trang 40và trên thế giới
