TÀI LIỆU THOÁT NƯỚC MƯA ĐÔ THỊ

Với tất cả các lưu vực thoát nước, dù cho lưu vực này có nằm trong khu thành thị hay không, chúng ta sẽ tính thể tích và lưu lượng nước của dòng chảy tạo ra do mưa sẽ phải kể đến: - đặc

THOÁT NƯỚC MƯA ĐÔ THỊ - THOÁT

NƯỚC CHUNG

Chương 6 : Nước mưa đô thị 2

A THOÁT NƯỚC MƯA

Giới thiệu

Quá trình đô thị hóa dần dần một vùng dân cư dẫn đến sự gia tăng rất lớn tỷ lệ phần trăm diện tích bề mặt không thấm nước (sự gia tăng do các đường bê tông nhựa, tấm lợp, đường lát đá vào các nhà xưởng ) Hậu quả của hiện tượng này sẽ làm giảm, khi mưa, thể tích nước có thể thấm vào lòng đất và do đó làm gia tăng lượng nước chảy tràn trên mặt Lượng nước chảy tràn này là một yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến quy mô công trình, cần phải xác định khi thiết kế hệ thống thoát nước cho khu vực

Về vấn đề tháo nước, xét cho một lượng nước của một cơn mưa, sự tạo dòng chảy sẽ xảy ra nhanh hơn nhiều và lưu lượng lớn nhất cũng lớn hơn rất nhiều sau khi vùng nghiên cứu đã được đô thị hóa so với trước (có thể đến 100 lần lớn hơn) Người kỹ sư chịu trách nhiệm quản lý vấn đề này phải tìm cách giảm thiểu tối đa có thể làm được, các điều bất lợi hay các tác hại gây ra do dòng nước mưa gây ra (và cả nước thải dân dụng trong hệ thống cống)

Trong chương này chúng ta sẽ đề cập đến các phương pháp cho phép đánh giá lượng nước mưa phải tháo trong môi trường đô thị khi xảy ra mưa; tính toán lưu lượng tháo lớn nhất liên quan đến các dạng khác nhau của địa hình, các mô hình mưa khác nhau; cuối cùng sẽ đề cập đến một vài biện pháp phổ biến để giảm lưu lượng tháo nước mưa

6.1 Lượng mưa và dòng chảy trong môi trường đô thị

Lưu vực thoát nước Được xem là diện tích hứng nước và sẽ thu về 1 điểm duy

nhất

Với tất cả các lưu vực thoát nước, dù cho lưu vực này có nằm trong khu thành thị hay không, chúng ta sẽ tính thể tích và lưu lượng nước của dòng chảy tạo ra do mưa sẽ phải kể đến:

- đặc tính của cơn mưa: cường độ, thời gian kéo dài cơn mưa, sự phân bố theo không gian và thời gian;

- các đặc tính về bề mặt của lưu vực (thiên nhiên, tỷ lệ diện tích thấm nước, độ dốc, quy hoạch;

- các quy luật về dòng chảy mặt

Bảng sau đây trình bày hệ quả logic quan hệ hiện hữu giữa một cơn mưa (và các đặc trưng của nó), một lưu vực (và các đặc trưng của nó) và các đặc trưng thủy đồ của lượng nước xuất hiện cần phải tháo ra khỏi lưu vực

- phân bố theo không gian và thời gian của mưa: biểu đồ thực hoặc tóm tắt

Biến đổi: lưu vực thoát nước Vật lý

- bề mặt

* không thấm và tháo trực tiếp

* không thấm và tháo gián tiếp

* thấm không tháo (không nối liền với mạng lưới cống)

* thấm và tháo

- nước được giữ lại bởi:

* do bề mặt thấm

* do bề mặt không thấm

- điều kiện mưa trước đó

- mức độ lọc nước trong đất trong khi mưaVận chuyển: mạng lưới cống Thủy lực

- đặc tính mạng lưới cống tháo;

- sự lan truyền thủy đồ dòng chảy trong mạng lưới cống

- tích nước (trong các ống dẫn hoặc hồ chứa)Kết quả: thủy đồ dòng chảy Thiết lập thủy đồ dòng chảy

Bảng 6.1

6.1.1 Mưa

Nước mưa rơi trên một lưu vực sẽ trải qua 3 giai đoạn chính:

- làm ẩm bề mặt lưu vực và các thiết bị lắp đặt nơi đó;

- một phần thấm vào lòng đất và hòa nhập vào tầng nước ngầm;

- một phần sẽ hình thành dòng chảy mặt cho đến các điểm thu nước (hố ga, miệng cống, sông suối)

6.1.2 Dòng chảy

Trong môi trường đô thị, vấn đề quản lý nước gây ra do mưa thường không có ý nghĩa lớn như trong mục đích bảo vệ đời sống con người giống như trong khuôn khổ quản lý dòng chảy trong các vùng ảnh hưởng của các con sông lớn có thể gây lũ lụt Ở đây chủ yếu là đề phòng và loại bỏ các tác hại của nước mưa tràn lên các tài sản

Trong áp dụng, có rất nhiều phương pháp được đề nghị dùng để tính toán lưu lượng dòng chảy trong môi trường đô thị, theo đó có thể chúng ta chỉ quan tâm đến lưu lượng lớn nhất hoặc chúng ta quan tâm đến sự thay đổi lưu lượng dòng chảy theo thời gian (thủy đồ) Ở Bắc Mỹ, phương pháp tính gọi là phương pháp « thích hợp » cho phép tính được lưu lượng lớn nhất vẫn được sử dụng rộng rãi Thêm vào đó, nhờ vào sự phát triển của máy tính ngày nay, nhất là các máy tính cá nhân nhưng có bộ nhớ trung tâm tương đối mạnh, các kỹ sư ngày nay có thể lập các mô hình cho phép tính toán và thiết lập các thủy đồ một cách nhanh chóng cho các trường hợp khác nhau của mưa, các dạng

Chương 6 : Nước mưa đô thị 4

cụ này, chúng ta còn có thể tính toán thể tích cần của hồ chứa nước tạm thời một cách hiệu quả, khả năng trữ nước của các đường ống, thời gian nước chảy trong ống

6.2 Phương pháp thích hợp

Phương pháp thích hợp, được nghiên cứu áp dụng trước khi ra đời của máy tính, cho phép tính toán một cách nhanh chóng các lưu lượng dòng chảy lớn nhất cho các mô hình mưa đều rơi xuống các lưu vực tương đối bé (< 5 km2); do vậy đây là phương pháp hoàn toàn thích hợp cho nghiên cứu các lưu vực thành thị

6.2.1 Gốc và sự khuếch tán

Theo tài liệu, có lẽ phương pháp thích hợp đã được sử dụng lần đầu vào năm 1851

ở Irlande Tuy vậy, người ta ghi nhận được chỉ đến năm 1889 phương pháp mới được biết đến ở Bắc Mỹ, khi tác giả Kuichling sử dụng để nghiên cứu hoạt động của các mạng lưới thu nước mưa khác nhau trong môi trường đô thị Người ta đã đưa phương này vào Anh năm 1906 và ở đây nó được biết dưới cái tên phương pháp Lloyd-Davis Một cuộc thăm dò được thực hiện vào năm 1975 trên 37 đô thị tại Canada cho biết khoảng 97% trong số này đã sử dụng phương pháp thích hợp này để nghiên cứu và thiết kế hệ thống cống thoát nước mưa

6.2.2 Khai triển phương trình thích hợp

Để có thể giải thích thế nào là phương trình thích hợp, chúng ta hãy xem một lưu vực và thủy đồ của dòng chảy như sau:

An

Aj

trung thoát nước lưu vực

Hình 6.2 Thủy đồ dòng chảy cho một cơn mưa có cường độ không

đổi rơi trên lưu vực trong thời gian ∆ t

Để thiết lập biểu đồ trên, chúng ta dựa vào các đường đồng dòng chảy (theo định nghĩa đó là các điểm từ đó nước cần phải có cùng thời gian để tập trung về điểm tập trung khu vực) Các đường đồng dòng chảy này sẽ xác định các diện tích A1, A2, An (trong đó Aj được định nghĩa là diện tích giới hạn bởi 2 đường đồng dòng chảy tj-1 và tj) Biến t chỉ thời gian trôi qua của cơn mưa Trong khuôn khổ giới thiệu phương pháp, chúng

ta lựa chọn các đường đồng dòng chảy như sau:

t t t

t1 = 1 − 0 =∆

t t

t

t2 = 2 − 0 =2∆

t t

t

t3 = 3 − 0 =3∆

t j t t

t j = j − 0 = ∆

t n t t

t n = n − 0 = ∆Chúng ta sẽ xét cho 3 trường hợp sau đây:

Trường hợp 1 Giả sử là, mưa rơi trên toàn bộ lưu vực có cường độ I là hoàn toàn giống

nhau và kéo dài trong khoảng thời gian ∆t Chúng ta cũng giả thiết là Cj là tỷ lệ mưa rơi trên diện tích Aj sẽ tạo nên dòng chảy (hệ số dòng chảy) Chúng ta có thể tính lưu lượng Q(t) thoát ra lưu vực như sau:

lúc t=0, Q(0) =0lúc t1=∆t, Q(t1) =A1IC1lúc t2=2∆t, Q(t2) =A2IC2lúc tj=j∆t, Q(tj) =AjICjlúc tn=n∆t, Q(tn) =AnICn

Chương 6 : Nước mưa đô thị 6

- A1IC1 là thể tích nước của dòng chảy (trong thời đoạn ∆t), tháo ra khỏi lưu vực, đến từ A1

Trong đồ thị trên, chúng ta giới thiệu thủy đồ dòng chảy, có nghĩa là lưu lượng tháo thay đổi theo thời gian Q(t) ra khỏi khu vực (tại vị trí tháo nước lưu vực) Đó là sự thay đổi liên tục tương ứng với cơn mưa kéo dài trong thời đoạn ∆t, cường độ không đổi I, rơi xuống toàn bộ lưu vực

Trường hợp 2 Trong trường hợp này ta cũng xét cho mưa có cường độ không đổi như

trường hợp trên, nhưng với trường hợp là thời gian mưa kéo dài gấp đôi, 2∆t, và rơi xuống toàn bộ khu Thủy đồ tương ứng cho trường hợp này sẽ được thiết lập trên nguyên lý dựa vào thủy đồ trường hợp 1 và cộng thêm vào đó thủy đồ này nhưng lệch đi một thời đoạn

∆t Chúng ta có thể tính lưu lượng thoát ra khỏi lưu vực này như sau:

lúc t1=∆t, Q(t1) =A1IC1lúc t2=2∆t, Q(t2) = A1IC1 + A2IC2lúc t3=3∆t, Q(t3) = A2IC2 + A3IC3lúc tj=j∆t, Q(tj) = Aj-1ICj-1 + AjICjlúc tn=n∆t, Q(tn) = An-1ICn-1 + AnICnlúc tn+1=(n+1)∆t, Q(tn+1) = AnICn

Trường hợp 3 Ta vẫn xét cho trận mưa có cường độ không đổi, I, nhưng xét cho trường

hợp thời gian kéo dài cơn mưa là n∆t và rơi xuống toàn bộ lưu vực Chúng ta sẽ tính lưu lượng tháo ra khỏi lưu vực như sau:

lúc t1=∆t, Q(t1) =A1IC1lúc tj=j∆t, Q(tj) =∑

=

j k

k

k IC A

1lúc tn=n∆t, Q(tn) = An-1ICn-1 + AnICnlúc tn+1=(n+1)∆t, Q(tn+1) = AnICn

Trong 3 trường hợp giới thiệu trên, cũng như các trường hợp tương tự khác mà ta có thể dễ dàng thiết lập, xét cho mưa có cường độ không đổi và xảy ra đều trên toàn bộ lưu vực và chúng ta có thể rút ra kết luận như sau:

a Nếu thời gian mưa tn bằng thời gian cần thiết để một giọt mưa rơi ở vị trí xa nhất về đến cống thoát nước cho lưu vực, ta thấy trường hợp này tổng thể lưu vực sẽ tham gia tạo nên lưu lượng tháo Q(t) thay đổi theo thời gian Điều này có nghĩa là n tiểu diện tích

Ai tham gia vào sự tạo dòng

b Nếu thời gian mưa rơi là lớn hơn tn, giá trị lưu lượng tháo ra khỏi lưu vực Q(tn) tồn tại trong một khoảng thời gian chính bằng sự sai biệt giữa thời gian kéo dài cơn mưa và tn

c Chúng ta sẽ nhận được lưu lượng tháo lớn nhất khi thời gian kéo dài cơn mưa

bằng với tn (đây là thời gian ta thường gọi là thời gian tập trung nước của lưu vực, tc); điều này có nghĩa là toàn bộ diện tích lưu vực có cơ hội tham gia vào sự tạo dòng thoát ra khỏi lưu vực

d Khi thời gian kéo dài cơn mưa bé hơn tn, lưu lượng dòng chảy thoát ra khỏi lưu vực thì bé hơn lưu lượng lớn nhất

6.2.3 Thiết lập phương trình thích hợp

Chúng ta nhớ lại, lưu lượng thoát ra khỏi lưu vực có dạng như đã giới thiệu trước,

ta tính lưu lượng thoát ra do mưa có cường độ không đổi, I, rơi xuống toàn bộ lưu vực kéo dài trong khoảng thời gian tn bằng với thời gian tập trung nước tc của lưu vực nhờ vào phương trình sau đây:

n k k k

n k k c

Một cách tổng quát, chúng ta biết (hoặc sẽ xác định) giá trị R đặc trưng chung cho dạng lưu vực, C hệ số dòng chảy Nói một cách khác đi đó là tỷ lệ thể tích nước tham gia tạo dòng chảy mặt (một phần sẽ thấm đi vào lòng đất)

k k c

= 1

Ta gọi đây là phương trình thích hợp và ta thường viết dưới dạng:

với K là hệ số quy đổi

Trong bảng sau đây chúng ta định nghĩa các biến của phương trình và đơn vị tương ứng của nó:

Chương 6 : Nước mưa đô thị 8

Q: lưu lượng lớn

nhất

A: diện tích lưu vực

I: cường độ mưa

C: hệ số dòng chảy

K: hệ số quy đổi

m3/shamm/hkhông đơn vị2.78*10-3

m3/s

km2mm/hkhông đơn vị0.278

Bảng 5.2 Biến trong phương trình thích hợp và đơn vị tương ứng

6.2.4 Cơ sở của phương trình thích hợp

Sự sử dụng phương trình thích hợp dựa trên cơ sở các giả thiết sau đây:

- cường độ mưa là không đổi trong suốt quá trình mưa rơi;

- cường độ mưa là giống nhau trên toàn bộ lưu vực;

- mưa rơi trên lưu vực kéo dài trong suốt quá trình mưa;

- hệ số dòng chảy có giá trị không đổi trong suốt quá trình mưa và hệ số này không phụ thuộc vào cường độ mưa, I Tuy nhiên trong thực tế, ta thấy giá trị này có xu hướng gia tăng trong thời gian kéo dài cơn mưa;

- với bất kỳ mưa có cường độ không đổi nào, dòng chảy tạo ra sẽ cực đại khi thời gian mưa bằng với thời gian tập trung nước đặc trưng cho lưu vực;

- các bề mặt được xem là không thấm (đường, mái che, sân phủ vật liệu không thấm ) phân phối đều trên toàn bộ diện tích của lưu vực;

- tần số xuất hiện lưu lượng lớn nhất chính là tần suất mưa sử dụng tương ứng Nói một cách khác đi, ví dụ nếu chúng ta chọn mưa xuất hiện trung bình 10 năm 1 lần để tính thì lưu lượng lớn nhất tương ứng cũng là lưu lượng sẽ xuất hiện một cách trung bình 10 năm 1 lần;

- với lưu vực có dạng hình chữ nhật, tiếp theo sự khởi đầu của một cơn mưa có cường độ không đổi, tỷ lệ diện tích của lưu vực tham gia vào sự tạo dòng tại nơi thoát ra khỏi lưu vực thì gần bằng với tỷ lệ giữa thời gian kéo dài cơn mưa và thời gian tập trung nước của lưu vực

Ta gọi lưu lượng lớn nhất tiêu chuẩn tính được từ phương trình thích hợp khi tất cả các điều kiện trên thỏa mãn Tuy đây là các giả thiết đã được đơn giản hóa, phương trình thích hợp cho phép dễ dàng tính được giá trị lớn nhất của dòng chảy gây ra do mưa Kết quả tính được tương đối chính xác cho phép chúng ta thiết kế phần lớn các mạng lưới thoát nước không lớn lắm (trong phạm vi 5 km2 trở xuống)

Ngoài ra, ta còn có các phương pháp tính toán khác thường được chương trình hóa sử dụng trên các máy tính thường có lợi điểm hơn là nó cho phép tính được tất cả các lưu lượng, kể cả lưu lượng lớn nhất Nhiều điều kiện biên khác nhau ràng buộc bài toán cũng có thể đưa vào thuận tiện đối với các phương pháp này (mưa có cường độ thay đổi theo không gian và thời gian, hệ số dòng chảy thay đổi, )

- quy hoạch hiện tại và tương lai của khu vực (để đánh giá hệ số dòng chảy);

- tính thấm nước hiện tại và tương lai của đất;

- độ dốc của lưu vực cũng như của tiểu lưu vực;

- đường thoát đi của dòng chảy

6.2.6 Chu kỳ lặp lại cơn mưa (chu kỳ tràn cống)

Chu kỳ lặp lại cơn mưa P ảnh hưởng đến cường độ mưa và do đó quyết định kích thước, khối lượng hệ thống thoát nước Chọn chu kỳ P theo 3 cách:

(1) Kinh nghiệm

(2) Phân tích rủi ro

(3) Phân tích kinh tế nước

Trong phân tích kinh tế nước, ứng với chu kỳ P sẽ xác định được mức đầu tư cho công trình đồng thời cũng đánh giá được những thiệt hại do những cơn mưa có chu kỳ lớn hơn gây ra Rõ ràng khi chọn p lớn thì mức đầu tư tăng cao nhưng thiệt hại sẽ giảm đi và ngược lại; qua phân tích kinh tế sẽ chọn được P tối ưu

Trong dự án ‘Thoát nước lưu vực Nhiêu Lộc – Thị Nghè’, công ty CDM từ phân tích số liệu điều tra về kinh tế và điều tra về mức độ thiệt hại do mưa gây úng ngập ở TP HCM giai đoạn 1994 – 1995 đã đề nghị chu kỳ p = 2 năm cho hệ thống cống ngầm (cấp II, III, IV), p = 5 năm cho kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè (cấp I) sẽ phù hợp với điều kiện kinh tế TP HCM hiện nay và tương lai gần Như vậy việc chọn chu kỳ mưa tính toán p phụ thuộc vào hiện trạng kinh tế xã hội khu vực và hướng phát triển của nó; không thể lấy p của thành phố phát triển cao như Tokyo, San Francisco, … dùng cho thành phố có mức sống còn thấp như Hà Nội, TP HCM,

… vì như vậy sẽ đầu tư cho hệ thống thoát nước quá cao không tương xứng với những thiệt hại mà nó tránh được; trong phạm vi Việt Nam cũng có sự khác biệt p giữa TP HCM và các thành phố nhỏ khác Nhưng trong những dự án thoát nước nhỏ, không có điều kiện phân tích kinh tế xã hội tổng thể, chu kỳ mưa tính toán p thường được chọn theo kinh nghiệm

+ Theo Tiêu Chuẩn Việt Nam (TCVN 4449: 1987):

- Đối với khu dân cư:

ĐK thuận lợi và trung bình ĐK thuận lợi 1-2

Chương 6 : Nước mưa đô thị 10

ĐK không thuận lợi ĐK trung bình 2-3

ĐK đặc biệt không thuận lợi ĐK không thuận lợi 5-10

ĐK đặc biệt không thuận lợi 10-20

Điều kiện (ĐK) thuận lợi: Diện tích lưu vực Flv ≤ 150ha và độ dốc địa hình iđh ≤

0,005

ĐK trung bình: Flv > 150ha và iđh ≤ 0,005 hoặc Flv ≤ 150ha và iđh = 0,005÷0,02

ĐK không thuận lợi: Flv > 150ha và iđh > 0,005 hoặc Flv ≤ 150ha và iđh > 0,02

ĐK đặc biệt không thuận lợi: Cống thoát nước mưa từ vùng trũng của lưu vực ra

- Đối với khu công nghiệp:

Hậu quả do ngập úng p (năm)Không gián đoạn sản

Gián đoạn sản xuất 3-5+ Theo Hiệp Hội Kỹ Sư Công Chánh Mỹ (ASCE):

Khu thương mại, công nghiệp, nhà ga, phi trường, bến

cảng

10

6.2.7 Cường độ mưa

Vấn đề áp dụng phương trình thích hợp đòi hỏi chúng ta phải chọn giá trị cường độ mưa, I Đây là một thông số phụ thuộc vào vị trí, vùng trong đó có lưu vực khảo sát Để có sự xác định hợp lý, trước hết phải đánh giá thời gian tập trung nước, tc,, của lưu vực trong đó ta muốn tính lưu lượng dòng chảy lớn nhất Tiếp theo, ta phải xác định chu kỳ mưa xuất hiện sẽ áp dụng trong tính toán Điều này dĩ nhiên tùy thuộc vào các quy định có tính cách pháp lý

6.2.8 Quan hệ Cường độ - Thời gian mưa - Tần số (đường cong IDF)

Các đường cong IDF theo định nghĩa, đó là đồ thị giới thiệu sự thay đổi của cường độ trung bình của mưa, là hàm của thời gian kéo dài cơn mưa cho loại mưa kéo dài trong thời gian ngắn (< 3 giờ, đôi khi <1 giờ) và cho các chu kỳ xuất hiện khác nhau Dạng tổng quát của đường cong IDF có thể biểu thị bởi phương trình toán học có các dạng khác nhau sau đây:

Công thức tổng quát của cường độ mưa:

( )n

x

t a

CN I

+

=

B t

M I

+

=

B t

M

+

=trong đó:

N: tần số của lượng mưa (1/năm);

t: thời gian kéo dài cơn mưa (phút);

a, M, C, B, x, n: các hằng số liên quan đến tần số tính toán cho mưa và vùng nghiên cứu

Cường độ mưa phụ thuộc vào: (1) Vị trí khu vực (2) Chu kỳ xuất hiện lại cơn mưa p (3) Thời gian mưa T d Ở mỗi khu vực, quan hệ giữa I, t, p gọi là IDF (Intensity-duration-frequency); IDF được diển tả dưới dạng biểu đồ hay công thức

Thí dụ khu vực ‘Nhiêu Lộc – Thị Nghè’ ở TP Hồ Chí Minh:

533.4/(t+5)863.6/(t+7)1244.6/(t+9)1778.0/(t+12)2184.4/(t+12)2743.2/(t+14)

Bảng 5.3 Cường độ mưa cho vùng Montréal

Chương 6 : Nước mưa đô thị 12

Hình 6.3 Cường độ mưa cho vùng Québec

6.2.9 Thời gian tập trung nước

Thời gian tập trung nước liên quan đến một lưu vực là thời gian dài nhất cần thiết để giọt nước mưa rơi ở vị trí « xa nhất » trong lưu vực di chuyển đến vị trí thoát nước trung tâm của lưu vực

Trong môi trường đô thị, các lưu vực nhỏ, các tiểu lưu vực có một diện tích bề mặt tương đối bé (ví dụ, nó hình thành trên cơ sở 1 vài khuôn viên xây dựng và các công trình nhà trên đó và một đoạn đường phố) và nơi thoát chính là một miệng cống Ta gọi thời gian đi vào, te, chính là thời gian tập trung cho một tiểu lưu vực được định nghĩa như trên

Với một lưu vực là đô thị lớn, nó chính được hình thành từ các tiểu lưu vực nói trên; và thời gian tập trung nước của nó được tính trong điều kiện bình thường chính là tổng của thời gian đi vào te của tiểu lưu vực đầu tiên (đó là tiểu lưu vực nằm về vị trí xa nhất về thượng lưu của lưu vực theo quan điểm thủy lực) và thời gian nước chảy trong ống cống, tf, tính từ tiểu lưu vực này cho đến vị trí thoát nước chung cho lưu vực Do đó, thời gian tập trung nước sẽ được tính như sau:

nă m nă m nă m nă m

Thời gian mưa (phút) Cường độ mưa (cm/phút)

f e

t = +

Hình 6.4 Hệ thống thoát nước mưa trên đường

6.2.10 Thời gian đi vào cho một tiểu lưu vực, t e

Thời gian đi vào te của một tiểu lưu vực là thời gian dài nhất cần thiết để nước trong tiểu lưu vực này đi đến được miệng thu nước Nó phụ thuộc vào:

- độ dốc trung bình bề mặt khu vực theo hướng miệng thu nước;

- khoảng cách nước phải di chuyển, chảy tràn trên mặt, để đến miệng cống thu nước;

- tình trạng tự nhiên của bề mặt địa hình nước chảy qua

Thời gian đi vào cho một tiểu lưu vực, một cách tổng quát, nó dao động từ 5 phút đến 30 phút tùy theo quy mô của tiểu lưu vực và cách bố trí các vị trí thu nước Trong vùng dân cư rất đông đúc, ở đó tỷ lệ diện tích bề mặt không thấm lớn ta có thời gian đi vào te sẽ ngắn Trong khi đó, với các vùng dân cư, ở đó nhà ở dạng các hộ cá thể và thế đất tương đối bằng phẳng, thời gian vào te dao động trong khoảng 5 phút đến 10 phút Để đánh giá thời gian vào, người ta đề nghị nhiều mô hình như: mô hình của Kerby, mô hình

của Kirpich, mô hình của Schaake, mô hình của Cơ quan Hàng không Liên bang Mỹ.

Mô hình Kerby Mô hình này cho phép đánh giá thời gian cần thiết cho một lớp nước

mỏng chảy trên một bề mặt có các tính chất thay đổi Phương trình đề nghị bởi Kerby trong đó te được tính bằng phút như sau:

467 0 5 0

187.2

n: hệ số nhám bề mặt tính theo Manning (xem bảng sau)

s: độ dốc trung bình của địa hình nước phải chảy qua

Đường phố

Đường ống thoát nước

Miệng thu nước

Hố ga

Chương 6 : Nước mưa đô thị 14

Không thấm, nằm ngang

Phủ cỏ và nằm ngang

Đất nện chặt và nằm ngang

Phủ cỏ nhưng không bảo trì tốt, trồng trọt

Bãi chăn nuôi

Rừng phủ lá

Rừng thông

Rừng phủ lá và cỏ cao

0.02 0.10 0.10 0.20 0.40 0.60 0.80 0.80

Bảng 5.4 Hệ số nhám n theo Manning

Mô hình Kirpich Tác giả đề nghị phương trình sau đây, thường áp dụng cho vùng nông

thôn, trong đó te tính bằng phút:

385 0

77 00195.0

s

F L

t e =trong đó:

L: khoảng cách lớn nhất nước phải di chuyển trên mặt (m) Với mô hình chỉ áp dụng cho 30 m<L<3050 m

s: độ dốc trung bình của địa hình nước phải chảy qua

F: yếu tố phụ thuộc vào loại bề mặt đất; cho phép áp dụng phương trình trong các vùng không phải là nông thôn

Đất san bằng sạch và bề mặt là phẳng (lưu vực nông thôn)

Cỏ

Lát bé tông hoặc nhựa đường

Chảy trong kênh bằng bé tông

1.02.00.40.2

Bảng 5.5 Hệ số F cho mô hình Kirpich

Mô hình Schaake Tác giả đề nghị phương trình sau đây cho các tiểu lưu vực đô thị trong

đó có đường phố và các miệng thu nước đặt dọc theo các lề đường hay các đường bao quanh với te tính bằng phút:

26 0 16 0

24 08.1

imp e

A s

s: độ dốc trung bình của địa hình nước phải chảy qua;

Aimp: tỷ lệ diện tích tổng cộng của tiểu lưu vực không thấm (mái che, đường tráng nhựa, lề đường )

Mô hình của Cơ quan Hàng không Liên bang Mỹ Mô hình sau đây được đề nghị để tính

thoát nước cho vùng phi trường với te tính bằng phút:

33 0

5 01.126.3

s

L C

trong đó:

L: khoảng cách lớn nhất nước phải di chuyển trên mặt (m);

C: hệ số dòng chảy;

s: độ dốc trung bình của địa hình nước phải chảy qua

6.2.11 Thời gian nước chảy trong đường ống

Thời gian nước chảy, tf, trong đường ống tính nhờ vào phương trình của Manning như sau:

5 0 3 / 21

J R n

v= htrong đó:

n: hệ số nhám;

Rh: bán kính thủy lực tương ứng với chiều sâu h của dòng chảy trong ống;

J: độ dốc đường ống

Khi đường dẫn chảy đầy với lưu lượng, chúng ta có thể biến đổi phương trình Manning và nhận được phương trình sau đây, trong đó tf tính theo phút:

p f

Q

Ld t

3944.76

2

=trong đó:

L: chiều dài đường dẫn (m);

d: đường kính ống (m)

Qp: lưu lượng chảy trong ống đầy (m3/s)

6.2.12 Hệ số dòng chảy

Hệ số dòng chảy, nhờ vào nó ta đánh giá tỷ lệ mưa còn lại tạo thành dòng chảy mặt trong khu nghiên cứu Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số như sau:

- tình trạng tự nhiên của bề mặt nước chảy qua;

- độ dốc trung bình của bề mặt khu vực dòng chảy đi qua theo hướng thoát nước chính;

- cường độ mưa;

- tỷ lệ thể tích nước tích được trong vùng « trũng » của địa hình;

- điều kiện bầu khí quyển trước đó: ví dụ chu kỳ khô hạn, chu kỳ ẩm ướt

Chương 6 : Nước mưa đô thị 16

Chúng ta có thể xem là hệ số dòng chảy là 1 hệ số biểu thị tính chất không thay đổi của một diện tích bề mặt nghiên cứu hay ngược lại, giá trị nó thay đổi tùy theo các tình huống khác nhau

6.2.13 Hệ số dòng chảy không đổi

Thông thường chúng ta xem hệ số dòng chảy không thay đổi trong suốt quá trình cơn mưa xảy ra và giá trị này sẽ không đổi theo các đặc tính khác nhau của các cơn mưa Đó là lý do tại sao ta gọi là hệ số không đổi Các bảng sau đây trình bày tóm tắt giá trị các hệ số dòng chảy liên quan đến các bề mặt khác nhau và liên quan đến các khu dân

cư có cách sinh hoạt khác nhau

Một cách tổng quát, người ta yêu cầu xác định giá trị hệ số dòng chảy của một lưu vực hay một vùng xác định nào đó trên cơ sở sẽ tính đến tỷ lệ có được bởi các loại bề mặt khác nhau của vùng đặc trưng cho lưu vực hay vùng khảo sát Cách xác định nhờ vào công thức sau đây:

n i i i

A

C A C

1 1

trong đó:

Ai: diện tích của bề mặt có tính chất i;

Ci: hệ số dòng chảy liên quan đến diện tích Ai; A A

i i

=

∑

Đường bé tông, tráng nhựa

Đường lát đá chẻ, gạch

Mái lợp

Trồng cỏ, đất loại có nhiều cát

- bằng phẳng (<2%)

- độ dốc trung bình (từ 2% đến 7%)

- độ dốc lớn (>7%)

Trồng cỏ, đất chặt

- bằng phẳng (<2%)

- độ dốc trung bình (từ 2% đến 7%)

- độ dốc lớn (>7%)

Đường vào garage có lát đá

0.70-0.95 0.70-0.85 0.75-0.95

0.05-0.10 0.10-0.15 0.15-0.20

0.13-0.17 0.18-0.22 0.25-0.35 0.15-0.30

Bảng 5.6 Hệ số dòng chảy R theo các loại bề mặt khác nhau

- nhà riêng biệt

- nhà liên kế, tách rời

- nhà liên kế, theo từng dãy

- nhà khu ngoại ô kém phát triển

- nhà khu ngoại ô

- chung cư

Công nghiệp

- mật độ trung bình

- mật độ cao

Công viên, nghĩa trang, đồng cỏ

Sân chơi

Đất bỏ hoang

0.30-0.50 0.40-0.60 0.60-0.75 0.10-0.25 0.25-0.40 0.50-0.70

0.50-0.80 0.60-0.90 0.10-0.25 0.25-0.35 0.10-0.30

Bảng 5.7 Hệ số dòng chảy R theo các khu vực khác nhau

Ví dụ: Xác định hệ số dòng chảy cho một khu dân cư thành thị có diện tích 1420000 m2 (142 ha) trong đó tỷ lệ các loại bề mặt phân chia như sau: mái 25%, đường nhựa 14%, lề đường bê tông 5%, đường vào garage lát đá 7%, đất trồng cỏ có độ dốc bé 49%

A

C A C

1 1

và kết quả trình bày trong bảng sau:

(ha) Hệ số dòng chảy, C « không thấm »(ha) Diện tích A i C, gọi

Mái

Đường nhựa

Lề đường bê tông

Đường vào garage lát đá

Đất trồng cỏ có độ dốc bé

35.5 19.9 7.1 9.9 69.6

0.90 0.85 0.90 0.25 0.15

31.95 16.92 6.39 2.48 10.44

Bảng 5.8

Hệ số dòng chảy cho khu phố như sau:

48.0142

18.681

A

C A C

Chương 6 : Nước mưa đô thị 18 6.2.14 Hệ số dòng chảy thay đổi theo thời gian

Trong thực tế hệ số dòng chảy cho một lưu không phải là hằng số Hệ số này sẽ thay đổi theo diễn biến cơn mưa: nó thường bé vào đầu cơn mưa, bởi vì vào thời điểm này, một phần nước mưa rơi sẽ thấm vào lòng đất và làm cho đất trở nên trạng thái bão hòa, một phần khác sẽ làm đầy các vùng trũng của địa hình Đó là lý do tại sao một vài tác giả đề nghị tiến hành tính toán với giá trị hệ số dòng chảy tăng theo thời gian kéo dài cơn mưa Trong khi đó, công thức xác định cường độ trung bình mưa giới thiệu trước (phương trình thích hợp) không cho phép kể đến sự thay đổi theo không gian và thời gian

Do đó vấn đề đưa vào hệ số biến đổi theo thời gian rất tế nhị, đòi hỏi chúng ta phải rất thận trọng, ít nhất là vấn đề liên quan đến việc thiết lập thủy đồ Trong thực tế, việc áp dụng hệ số lưu lượng thay đổi theo thời gian chỉ được dễ dàng với sự trợ giúp của máy tính

Thời gian mưa (phút)

Hình 6.5 Biến đổi hệ số dòng chảy, C Giá trị từ 0 đến 100 biểu thị tỷ lệ phần trăm diện tích bề mặt không thấm (bé tông, asphalte, ) của khu vực

(a) Thẩm thấu bề mặt thấm : ít

(b) Thẩm thấu bề mặt thấm : trung bình

(c) Thẩm thấu bề mặt thấm : nhiều

6.2.15 Quan hệ giữa hình dạng lưu vực và hệ số dòng chảy

Hình dạng của lưu vực có một ảnh hưởng quan trọng trên lưu lượng tối đa của dòng chảy và trên thời gian xuất hiện của lưu lượng này Chúng ta phải lưu ý khi sử dụng phương pháp thích hợp trong thiết kế khi dạng lưu vực không phải là chử nhật hoặc vuông

a) Lưu vực dạng tam giác đều

Trong trường hợp lưu vực có dạng của 1 tam giác đều, vị trí thoát nước nằm ở giữa

1 cạnh nào đó, quan hệ giữa thời gian kéo dài cơn mưa (dưới dạng tỷ lệ phần trăm so với thời gian tập trung nước) và diện tích lưu vực thực sự tham gia tạo dòng chảy (dưới dạng tỷ lệ phần trăm so với diện tích lưu vực) cho kết quả trình bày trong bảng sau Khi cơn mưa càng kéo dài so với thời gian tập trung nước, tổng thể diện tích khu vực sẽ cùng tham gia tạo dòng chảy

0 20 40

0 4 16

0 20 40

0 18 39

0 20 40

0 8 30

0 20 40

Hình 5.7

Chương 6 : Nước mưa đô thị 20

60 80 100 120

36 63 100 100

60 80 100 120

59.5 80 100 100

60 80 100 120

58.5 83 100 100

60 80 100 120

Bảng 5.9 Biến đổi theo thời gian của tỷ lệ phần trăm diện tích của lưu vực tham gia tạo

dòng chảy trong suốt cơn mưa: trường hợp lưu vực có dạng tam giác đều, dạng hình quạt, dạng chữ nhật và vuông với thời gian tập trung nước là 10 phút.

Trong trường hợp này, giả sử một tỷ lệ phần trăm quan trọng của diện tích lưu vực nằm gần vị trí thoát nước lưu vực, dòng chảy sẽ gia tăng nhanh chóng sau khi cơn mưa bắt đầu Lưu lượng dòng chảy là lớn nhất trong trường hợp cơn mưa có thời gian kéo dài là bé hơn thời gian tập trung nước của lưu vực: thật vậy, với một chu kỳ giống nhau, mưa có thời gian kéo dài ngắn sẽ có cường độ lớn hơn theo kết quả từ tích số AI trong phương trình thích hợp Q=KCIA lớn hơn (chúng ta chấp nhận là hệ số dòng chảy là hằng số và đồng nhất trong trường hợp này)

b)Lưu vực có dạng hình quạt

Trong trường hợp lưu vực có dạng hình quạt, vị trí thoát nước chính như trên hình vẽ, quan hệ giữa thời gian kéo dài cơn mưa (dưới dạng tỷ lệ phần trăm so với thời gian tập trung nước) và diện tích lưu vực thực sự tham gia tạo dòng chảy (dưới dạng tỷ lệ phần trăm so với diện tích lưu vực) cho kết quả trình bày trong bảng trên Khởi đầu cơn mưa, lưu lượng dòng chảy gia tăng một cách từ từ Khi cơn mưa kéo dài hơn thời gian tập trung nước, tổng thể diện tích khu vực sẽ cùng tham gia tạo dòng chảy

c) Lưu vực dạng chữ nhật

Theo quy ước, đây là lưu vực khi có chiều dài lớn hơn chiều rộng ít ra là 4 lần Vị trí thoát nước trung tâm nằm ở trung điểm cạnh ngắn của phía hạ lưu lưu vực Kết quả tóm tắt trong bảng trên

d) Lưu vực dạng vuông

Với một lưu vực dạng vuông và vị trí thoát nước chung nằm ở trung điểm của cạnh lưu vực, kết quả trình bày trong bảng trên

Bởi vì phần lớn lưu vực thoát nước thành thị thường có dạng vuông hoặc chữ nhật, một cách tổng quát chúng ta có thể xem, khởi đầu của 1 cơn mưa, tỷ lệ phần trăm diện tích, %A, của lưu vực tham gia tạo dòng sẽ gia tăng theo cùng tỷ suất của thời gian kéo dài cơn mưa (tính theo phần trăm với thời gian tập trung, %tc) Khi thời gian mưa kéo dài hơn thời gian tập trung nước, tất cả diện tích lưu vực, 100%A, tham gia tạo dòng chảy Hình vẽ sau đây trình bày lại kết quả trên dưới dạng đồ thị