Kiểm soát ngập lụt tại các khu đô thị bằng hệ thống điều tiết vận tốc dòng chảy

TÊN ĐỀ TÀI KIỂM SOÁT NGẬP LỤT TẠI CÁC KHU ĐÔ THỊ BẰNG HỆ THỐNG ĐIỀU TIẾT VẬN TỐC DÒNG CHẢY NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG - Tìm hiểu hệ thống thoát nước đô thị và nghiên cứu những nguyên nhân, giả

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN TƯỜNG LONG

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS TRƯƠNG TÍCH THIỆN

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS NGUYỄN HỮU HUY

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 02 tháng 02 năm 2018

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 GS.TS NGÔ KIỀU NHI – CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

2 PGS.TS VŨ CÔNG HÒA – THƯ KÍ HỘI ĐỒNG

3 PGS.TS TRƯƠNG TÍCH THIỆN – UỶ VIÊN HỘI ĐỒNG

4 TS NGUYỄN HỮU HUY – UỶ VIÊN HỘI ĐỒNG

5 PGS.TS LƯU THANH TÙNG – UỶ VIÊN HỘI ĐỒNG

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

GS TS Ngô Kiều Nhi PGS TS Huỳnh Quang Linh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: TR ẦN LÝ MINH NHẬT Phái: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 25/09/1992 Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh

Chuyên ngành: Cơ Kỹ Thuật MSHV: 1570047

I TÊN ĐỀ TÀI

KIỂM SOÁT NGẬP LỤT TẠI CÁC KHU ĐÔ THỊ BẰNG HỆ THỐNG

ĐIỀU TIẾT VẬN TỐC DÒNG CHẢY NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

- Tìm hiểu hệ thống thoát nước đô thị và nghiên cứu những nguyên nhân, giải phápchống ngập hiện tại của thành phố trong thời gian vừa qua

- Tính toán mô phỏng hố ga điều tiết trong giải pháp cục bộ

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/08/2016

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/01/2017

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN TƯỜNG LONG

Tp.HCM, ngày 18 tháng 01 năm 2018

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN VÀ ĐÀO TẠO

TS Nguyễn Tường Long PGS TS Vũ Công Hòa

TRƯỞNG KHOA

PGS TS Huỳnh Quang Linh

Nội dung và đề cương Luận văn Thạc sĩ đã được Hội đồng Chuyên ngành thông qua

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin gởi sự biết ơn chân thành nhất của mình đến tất cả bạn bè và Thầy

Cô ở Khoa Khoa Học Ứng Dụng – Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM , những người

đã hỗ trợ tôi cả về chuyên môn, cũng như tinh thần trong suốt quá trình thực hiện luậnvăn

Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Tường Long đã nhiệt tình hướng dẫn,

giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn này Tôi cũng xin cảm ơn

Ông Thân Thế Hào và công ty Ninh Phong đã tạo điều kiện cho tôi được tiếp cận và

tính toán trong các dự án của công ty và Phòng Tính toán Cơ học

Đồng thời, tôi cũng xin chân thành cảm ơn Bà Lê Thị Dung và phòng Bản đồ Công ty

VietMap đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Nhân đây, tôi cũng xin cảm ơn gia đình đã luôn động viên và tạo chỗ dựa vững chắc đểtôi có thể theo đuổi con đường học tập của mình

Tp Hồ Chí Minh, tháng 01/2018

Tr ần Lý Minh Nhật

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Mục đích nghiên cứu của luận văn này nhằm giải quyết vấn đề ngập lụt bằng phươngpháp điều tiết vận tốc dòng chảy Nghiên cứu bao gồm hai hướng là giải pháp cục bộ vàgiải pháp toàn cục Trong đó, giải pháp cục bộ sẽ điều tiết dòng chảy từ hộ gia đình ra hệthống thoát nước công cộng bằng hố ga điều tiết, nghiên cứu sẽ sử dụng phần mềm Ansys

để tính toán mô phỏng cho hố ga điều tiết Với giải pháp toàn cục nghiên cứu kết hợpphần mềm ArcGis và Mike Urban để giải quyết vấn đề ngập lụt bao gồm việc quản lý dữliệu và tính toán hệ thống mạng thoát nước, hai phần mềm này có sự tương thích vớinhau rất tốt nên việc trao đổi dữ liệu hoàn toàn dễ dàng Chi tiết hơn, ArcGis một trongnhững phần mềm quản lý cơ sở dữ liệu tốt nhất hiện nay sẽ được sử dụng để xây dựng

mô hình mạng lưới thoát nước của thành phố Mô hình bao gồm vị trí của các thành phầntrong mạng lưới thoát nước như hố ga, đường ống, cửa xả, hồ chứa, v.v cũng như cácthuộc tính hình học, đặc điểm thủy lực của các thành phần này Đối với phần mềm MikeUrban sẽ làm nhiệm vụ tính toán thủy lực trong mạng lưới thoát nước Mô hình từ kếtquả đầu ra của ArcGis sẽ được thiết lập vào phần mềm Mike Urban và sau đó mô hìnhthủy lực được thiết kế bao gồm việc định nghĩa, kết nối các thành phần của mạng lướithoát nước tương ứng với các phần tử được sử dụng trong Mike Urban cũng như thiết lậpcác thông số thủy hải văn đầu vào để tính toán thủy lực trong mạng thoát nước Kết quảđầu ra của Mike Urban như các thông số thủy lực tại từng hố ga, đường ống, cửa xả,v.v sẽ là cơ sở để đánh giá các giải pháp đã giả định

The purpose of this thesis solves the problem of flooding by controlling the velocity ofthe flow in the drainage network This study analyzes the problem of flooding in twodirections: local and global solutions With the local solution, the study controls the flowfrom the house to the drainage network by using control manhole which computed andsimlutated by Ansys Software With the global solution, the study combines ArcGis andMike Urban software to solve the flooding problem including data management anddrainage network calculation, these two software are compatible with each other verygood, so the data exchange is easy In more detail, ArcGis one of the best databasemanagement software today will be used to build the city's drainage network model Themodel includes the location of drainage network components such as manholes,pipelines, sluice gates, reservoirs, etc., as well as the geometric attributes and hydrauliccharacteristics of these components For Mike Urban software, it will perform hydrauliccalculations in the drainage network The model from the ArcGis output will be set up inthe Mike Urban software and then the hydraulic model is designed to define and connectthe components of the drainage network corresponding to the elements that have beenused in Mike Urban as well as establishing input hydrological parameters for hydrauliccalculation in drainage networks The output of the Mike Urban as hydraulic parameters

at each manhole, pipeline, outlet, etc will be the basis for the inundation analysis,assessment of the effectiveness of the components in the drainage network

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là do chính tôi thực hiện, các số liệu, thông tin, tài liệutrích dẫn được sử dụng trong luận văn đều trung thực, có trích dẫn rõ ràng và Luận vănchỉ được nộp tại trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh

Tp.HCM, ngày 18 tháng 01 năm 2018

Tr ần Lý Minh Nhật

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ 2

LỜI CẢM ƠN 4

TÓM TẮT LUẬN VĂN 5

LỜI CAM ĐOAN 7

MỤC LỤC 8

DANH MỤC HÌNH ẢNH 12

DANH MỤC BẢNG BIỂU 16

DANH SÁCH KÍ HIỆU 17

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 19

1.1 Giới thiệu đề tài [1] 19

1.1.1 Thực trạng ngập ở Thành phố Hồ Chí Minh 19

1.1.2 Các giải pháp chống ngập 23

1.2 Hướng nghiên cứu 26

1.3 Đối tượng nghiên cứu 26

1.4 Phương pháp nghiên cứu 26

1.5 Bố cục luận văn 27

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 28

2.1 Giới thiệu hệ thống thoát nước đô thị [6] 28

2.1.1 Định nghĩa 28

2.1.2 Các loại hệ thống thoát nước đô thị 28

2.1.3 Hệ thống thoát nước mưa 30

2.2 Lý thuyết tính toán hệ thống thoát nước đô thị 30

2.2.1 Lưu vực thoát nước [7] 30

2.2.2 Thời gian tập trung nước [8] 31

2.2.3 Lưu lượng tính toán thoát nước mưa [8] 34

2.2.4 Cường độ mưa tính toán [8] 34

2.2.5 Hệ số dòng chảy [8] 35

2.3 Lý thuyết trong phần mềm Ansys 37

2.3.1 Cơ sở lý thuyết tính toán bền cho hố ga điều tiết theo phương pháp Phần tử hữu hạn.37 2.3.2 Cở sở lý thuyết tính toán dòng chảy trong hố ga điều tiết 39

2.4 Lý thuyết trong phần mềm ArcGIS [10] 40

2.4.1 Định nghĩa 40

2.4.2 Các thành phần của GIS 41

2.4.3 Mô hình dữ liệu 43

2.4.4 Các chức năng của GIS 47

2.5 Lý thuyết tính toán mô phỏng trong Mike Urban 47

2.5.1 Phần tử trong Mike Urban [12] 48

2.5.2 Phương pháp số trong Mike Urban [13] 52

CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP CỤC BỘ - ỨNG DỤNG HỐ GA ĐIỀU TIẾT 54

3.1 Giới thiệu giải pháp cục bộ 54

3.2 Mô hình hố ga điều tiết 54

3.3 Tính toán bền cho hố ga điều tiết 57

3.3.1 Thông số vật liệu 57

3.3.2 Tính toán bền nắp hố ga điều tiết 57

3.3.3 Tính toán bền thân hố ga điều tiết 60

3.4 Tính toán dòng chảy trong hố ga điều tiết 62

3.5 Kết quả thử nghiệm hố ga điều tiết 64

CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP TOÀN CỤC - XÂY DỰNG BẢN ĐỒ SỐ BẰNG PHẦN MỀM ARCGIS 68

4.1 Giới thiệu giải pháp toàn cục 68

4.2 Địa hình và thủy hải văn khu vực nghiên cứu 68

4.2.1 Khí hậu 69

4.2.2 Lượng mưa 69

4.2.3 Độ ẩm 69

4.2.4 Số giờ nắng 70

4.2.5 Gió 70

4.2.6 Thủy văn 70

4.3 Xây dựng bản đồ hệ thống thoát nước 71

4.3.1 Phương pháp nghiên cứu 71

4.3.2 Xử lý dữ liệu 72

4.4 Kết quả 81

CHƯƠNG 5: GIẢI PHÁP TOÀN CỤC - THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC TRONG MIKE URBAN 85

5.1 Giới thiệu khu vực áp dụng Mike Urban 85

5.2 Xây dựng biểu đồ cường độ mưa [4] 86

5.2.1 Kịch bản mưa 1 86

5.2.2 Kịch bản mưa 2 86

5.3 Mô tả mô hình hệ thống thoát nước 88

5.4 Kịch bản mô phỏng 89

5.5 Kết quả mô phỏng 89

5.5.1 Kết quả kịch bản mô phỏng 1 90

5.5.2 Kết quả mô phỏng trường hợp 2 94

5.5.3 Kết quả mô phỏng trường hợp 3 96

5.5.4 So sánh các kết quả mô phỏng 97

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 112

6.1 Kết luận về đề tài 112

6.1.1 Kết luận chung 112

6.1.2 Ý nghĩa khoa học 112

6.1.3 Ý nghĩa thực tiễn 113

6.2 Kiến nghị 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

CÁC BÀI BÁO ĐÃ THAM GIA 116

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 117

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Biểu đồ phần vùng ngập lụt Thành phố Hồ Chí Minh [1] 20

Hình 1 2 Số liệu thống kế số lượng điểm ngập tại Tp HCM 2008-2016 [1] 22

Hình 1 3 Giải pháp cống ngăn triều cường [2] 24

Hình 1 4 Giải pháp cống ngăn triều cường [2] 24

Hình 1 5 Giải pháp bơm ly tâm [3] 25

Hình 1 6 Giải pháp bơm ly tâm [3] 25

Hình 2 1 Hệ thống thoát nước chung 28

Hình 2 2 Hệ thống thoát nước riêng 29

Hình 2 3 Mô tả hệ thống thoát nước đô thị [7] 31

Hình 2 4 Các thành phần của GIS 42

Hình 2 5 Chồng lớp các mô hình vector và raster 44

Hình 2 6 Số liệu vector được biểu thị dưới dạng điểm 45

Hình 2 7 Số liệu vector được biểu thị dưới dạng vùng 45

Hình 2 8 Biên dạng mặt cắt ngang tiêu chuẩn của phần tử Links 48

Hình 2 9 Biên dạng mặt cắt ngang hình học bất kì của phần tử Links 48

Hình 2 10 Hình học hố ga trong Mike Urban 50

Hình 2 11 Hình học hồ điều tiết trong Mike Urban 51

Hình 2 12 Lưới tính toán 53

Hình 3 1 Hố ga điều tiết/ composite [14] 55

Hình 3 2 Nắp hố ga [14] 56

Hình 3 3 Nắp hố ga và trục vít [14] 56

Hình 3 4 Vành cổ nối [14] 56

Hình 3 5 Cửa xả / chặn [14] 56

Hình 3 6 Ứng suất Von Mises của nắp với vật liệu là nhựa PVC [14] 58

Hình 3 7 Ứng suất Von Mises của nắp với vật liệu là nhựa PVC [14] 59

Hình 3 8 Chuyển vị theo phương đứng của nắp với vật liệu là nhựa PVC [14] 59

Hình 3 9 Ứng suất Von Mises của nắp với vật liệu là nhựa PVC [14] 61

Hình 3 10 Ứng suất Von Mises của nắp với vật liệu là nhựa PVC [14] 61

Hình 3 11 Chuyển vị theo phương đứng của thân hố ga với vật liệu là nhựa PVC [14] 62 Hình 3 12 Mô hình 2D của hố ga điều tiết được xây dựng trong Ansys [14] 63

Hình 3 13 Lưới phần tử [14] 63

Hình 3 14 Trường động lực học lưu chất trong hố ga [14] 64

Hình 3 15 Hố ga điều tiết thử nghiệm tại đường Phú Định – Quận 8 [14] 65

Hình 3 16 Hố ga điều tiết thử nghiệm tại đường Phú Định – Quận 8 [14] 66

Hình 3 17 Hố ga điều tiết thử nghiệm tại đường Phú Định – Quận 8 [14] 66

Hình 3 18 Hố ga điều tiết thử nghiệm tại đường Phú Định – Quận 8 [14] 67

Hình 4 1 Hình ảnh khu vực nghiên cứu Bắc Nhiêu Lộc – Thị Nghè 68

Hình 4 2 Giao diện Tool CAD to Geodatabase trên ArcGis 72

Hình 4 3 Cách chọn layer hầm ga từ bảng thuộc tính và kết quả không gian nhận được 73 Hình 4 4 Cách chọn layer cửa xả từ bảng thuộc tính và kết quả không gian nhận được 74 Hình 4 5 Cách chọn layer cống từ bảng thuộc tính và kết quả không gian nhận được 75

Hình 4 6 Bản đồ chuyển từ CAD vẫn chưa được thiết lập hệ tọa độ 76

Hình 4 7 Giao diện công cụ Define Projection để hiệu chỉnh tọa độ bản đồ 77

Hình 4 8 Cửa xả ở dạng polyline khi chưa hiệu chỉnh 78

Hình 4 9 Cửa xả ở dạng point sau khi hiệu chỉnh 78

Hình 4 10 Dữ liệu khi chưa hiệu chỉnh 79

Hình 4 11 Dữ liệu khi đã hiệu chỉnh 80

Hình 4 12 Bản đồ số khu vực Quận Bình Thạnh [15] 80

Hình 4 13 Bản đồ hệ thống thoát nước đô thị quận Gò Vấp [15] 81

Hình 4 14 Bản đồ hệ thống thoát nước đô thị quận Phú Nhuận [15] 82

Hình 4 15 Bản đồ hệ thống thoát nước đô thị quận Tân Bình [15] 83

Hình 4 16 Bản đồ hệ thống thoát nước đô thị khu vực Bắc Nhiêu Lộc Thị Nghè [15] 84

Hình 5 1 Khu vực áp dụng Mike Urban để mô phỏng 85

Hình 5 2 Biểu đồ mưa theo kịch bản 1 87

Hình 5 3 Biểu đồ mưa theo kịch bản 2 87

Hình 5 4 Mô hình hệ thống thoát nước khu vực đường Võ Duy Ninh – Nguyễn Hữu Cảnh trong Mike Urban [15] 88

Hình 5 5 Kết quả mô phỏng chảy tràn ứng với hai kịch bản mưa [15] 92

Hình 5 6 Kết quả mực nước ngập trong hố ga ứng với hai kịch bản mưa [15] 93

Hình 5 7 Kết quả mực nước ngập trong tuyến cống ứng với hai kịch bản mưa [15] 94

Hình 5 8 Mực nước ngập lớn nhất trong hố ga và tuyến cống khi đã thay đổi đường kính thành 1200 (mm) [15] 96

Hình 5 9 Mực nước ngập lớn nhất trong hố ga và tuyến cống khi đã thay đổi đường kính thành 1800 (mm) 97

Hình 5 10 Mực nước ngập lớn nhất trong hố ga ứng với 3 kịch bản mô phỏng [15] 98

Hình 5 11 Mực nước ngập theo thời gian tại hố ga số 6 ở đường Võ Duy Ninh khi chưa thay đổi đường kính [15] 99

Hình 5 12 Mực nước ngập theo thời gian tại hố ga số 6 ở đường Võ Duy Ninh khi thay đổi đường kính thành 1200 (mm) [15] 99

Hình 5 13 Mực nước ngập theo thời gian tại hố ga số 6 ở đường Võ Duy Ninh khi thay đổi đường kính thành 1800 (mm) [15] 100

Hình 5 14 Mực nước ngập theo thời gian tại hố ga số 118 ở đường Ngô Tất Tố khi chưa thay đổi đường kính [15] 101

Hình 5 15 Mực nước ngập theo thời gian tại hố ga số 118 ở đường Ngô Tất Tố khi đã thay đổi đường kính thành 1200 (mm) [15] 101

Hình 5 16 Mực nước ngập theo thời gian tại hố ga số 118 ở đường Ngô Tất Tố khi đã thay đổi đường kính thành 1800 (mm) [15] 102

Hình 5 17 Mực nước ngập theo thời gian tại hố ga số 76 ở đường Nguyễn Hữu Cảnh khi chưa thay đổi đường kính [15] 103

Hình 5 18 Mực nước ngập theo thời gian tại hố ga số 76 ở đường Nguyễn Hữu Cảnh khi đã thay đổi đường kính thành 1200 (mm) [15] 103

Hình 5 19 Mực nước ngập theo thời gian tại hố ga số 76 ở đường Nguyễn Hữu Cảnh khi đã thay đổi đường kính thành 1800 (mm) [15] 104

Hình 5 20 Mực nước ngập lớn nhất trong tuyến cống ứng với 3 kịch bản mô phỏng [15] 105

Hình 5 21 Mực nước ngập theo thời gian tại đoạn cống số 85 ở đường Võ Duy Ninh khichưa thay đổi đường kính [15] 106Hình 5 22 Mực nước ngập theo thời gian tại đoạn cống số 85 ở đường Võ Duy Ninh khithay đổi đường kính thành 1200 (mm) [15] 106Hình 5 23 Mực nước ngập theo thời gian tại đoạn cống số 85 ở đường Võ Duy Ninh khithay đổi đường kính thành 1800 (mm) [15] 107Hình 5 24 Mực nước ngập theo thời gian tại đoạn cống số 36 ở đường Ngô Tất Tố khichưa thay đổi đường kính [15] 108Hình 5 25 Mực nước ngập theo thời gian tại đoạn cống số 36 ở đường Ngô Tất Tố khithay đổi đường kính thành 1200 (mm) [15] 108Hình 5 26 Mực nước ngập theo thời gian tại đoạn cống số 36 ở đường Ngô Tất Tố khithay đổi đường kính thành 1800 (mm) [15] 109Hình 5 27 Mực nước ngập theo thời gian tại đoạn cống số 106 ở đường Nguyễn HữuCảnh khi chưa thay đổi đường kính [15] 110Hình 5 28 Mực nước ngập theo thời gian tại đoạn cống số 106 ở đường Nguyễn HữuCảnh khi thay đổi đường kính thành 1200 (mm) [15] 110Hình 5 29 Mực nước ngập theo thời gian tại đoạn cống số 106 ở đường Nguyễn HữuCảnh khi thay đổi đường kính thành 1800 (mm) [15] 111

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Loại mặt phủ [8] 33

Bảng 2: Chu kỳ lặp lại trận mưa tính toán [8] 36

Bảng 3: Hệ số dòng chảy [8] 36

Bảng 4: Hệ số Manning theo vật liệu 49

Bảng 5: Thông số vật liệu nhựa PVC 57

Bảng 6: Kết quả ứng suất và chuyển vị của nắp hố ga bằng nhựa PVC 57

Bảng 7: Kết quả về chuyển vị và ứng suất của thân hố ga 60

Bảng 8: Mực thủy triều lớn nhất và nhỏ nhất 71

Bảng 9: Các thông số về mạng lưới thoát nước khu vực nghiên cứu 86

Bảng 10: Kết quả mô phỏng ngập tại hố ga số 6 ở 3 trường hợp 100

Bảng 11: Kết quả mô phỏng ngập tại hố ga số 118 ở 3 trường hợp 102

Bảng 12: Kết quả mô phỏng ngập tại hố ga số 118 ở 3 trường hợp 104

Q Lưu lượng thoát nước, l/s

Q Cường độ mưa tính toán, l/s.ha

F Chu kỳ lặp lại trận mưa

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 Giới thiệu đề tài [1]

Vấn đề ngập lụt đô thị không chỉ diễn ra ở những đô thị Việt Nam nói chung và Thànhphố Hồ Chí Minh nói riêng mà đây là vấn đề chung của các đô thị trên thế giới, đặc biệt

là các đô thị ở các nước đang phát triển, là nơi các quá trình đô thị hóa nhanh nhưng thiếunhững giải pháp quy hoạch và quản lý cơ sở hạ tầng tương ứng Ngập lụt đô thị đã gâynên những tác động không nhỏ đến sự phát triển kinh tế- xã hội cũng như ảnh hưởng đếnsinh hoạt của người dân

Thành phố Hồ Chí Minh là thành phố lớn nhất cũng như là trung tâm kinh tế sôi động,nhộn nhịp nhất Việt Nam và đang có xu thế trở thành thành phố hàng đầu của Châu Á.Tuy nhiên, thành phố Hồ Chí Minh cũng đang đối đầu với vấn đề ngập lụt nghiêm trọng.Vấn đề ngập lụt tại thành phố đang là vấn đề bức xúc trong nhiều năm qua đối với cáccấp chính quyền các cơ quan chức năng và người dân thành phố Mặc dù được sự quantâm chỉ đạo của các cơ quan quản lý, các cấp lãnh đạo của Thành phố nhưng vấn đề ngậplụt vẫn là vấn đề đề muôn thuở, chưa có hồi kết

Hàng loạt các giải pháp đã được đưa ra và thực hiện như xây đê bao, cải thiện đườngthoát nước, nâng đường v.v…nhưng đều chưa mang tới hiệu quả Do tính chất phức tậpcủa vấn đề nên tình trạng ngập lụt tại thành phố không những không được giải quyết màcòn có chiều hướng ngày càng gia tăng và nghiêm trọng hơn

1.1.1 Thực trạng ngập ở Thành phố Hồ Chí Minh

Theo thống kê của Trung tâm Điều hành chương trình chống ngập nước thành phố HồChí Minh, thành phố Hồ Chí Minh hiện tại năm 2016 là 59 điểm, sau 8 năm từ năm2008- 2016 triển khai và thực hiện các giải pháp thì số điểm ngập giảm tuy nhiên tìnhhình ngập là vô cùng nghiêm trọng Số liệu thống kê các điểm ngập ở từng nằm được thể

hiện ở hình 1.2 Các trường hợp ngập điển hình như ở khu vực Bình Thạnh (đườngNguyễn Hữu Cảnh); quận 2 (phường Thảo Điền); Ngã tư Bốn Xã (quận Bình Tân); kênh

Ba Bò (quận Thủ Đức), đường Đỗ Xuân Hợp (quận 9),…Đặc biệt là khu vực nội thànhvấn đề tiêu thoát nước trở thành nỗi “ám ảnh”, thách thức lớn cho các cấp chính quyền

mà còn là nỗi lo lắng thường trực của người dân mỗi khi có các đợt triều cường và mùamưa đến Bản đồ phân vùng ngập lụt ở hình 1.1

Hình 1 1 Biểu đồ phần vùng ngập lụt Thành phố Hồ Chí Minh [1]

Nguyên nhân gây ra ngập lụt tại thành phố Hồ Chí Minh bao gồm nguyên nhân chủ quan

và khách quan

 Nguyên nhân khách quan

Ngập úng do mưa: khi mưa với cường độ khoảng trên 40 mm, thời gian ngắn thường sinh

ra ngập úng Nếu mưa với cường độ lớn hơn, thời gian mưa tập trung dài hơn thì mức độngập úng càng nguy hiểm hơn Ngập úng do mưa cũng có liên quan đến hệ thống tiêuthoát nước, đặc biệt là hệ thống kênh cống tiêu ở khu nội thành

Ngập úng do triều: do ảnh hưởng của triều biển Đông trong những lúc triều lên hoặctriều cường, mực nước trong sông kênh lên cao gây khó khăn cho việc tiêu thoát đối vớinhững vùng đất thấp, gây ngập Mực nước triều lớn nhất ở khu vực TP.HCM dao độngtrong khoảng 1,5 m trong những đợt triều cường Diện tích đất có cao độ nhỏ hơn mựcnước này, nếu không có hệ thống tiêu thoát thì thường xuyên bị ngập Ngập úng có thểlớn hơn khi có triều cường truyền vào trong sông kênh, kết hợp lũ từ các công trìnhthượng lưu xả về, đồng thời với mưa lớn xảy ra

Ngập úng do lũ: ngoài lũ trực tiếp từ thượng lưu các sông Đồng Nai, Sài Gòn ảnh hưởngtrực tiếp đến TP.HCM, lũ từ lưu vực sông Mê Kông thông qua hệ thống kênh rạch nốiliền các sông Vàm Cỏ với vùng TP.HCM làm cho mực nước sông, kênh tăng cao, thậmchí tràn vào đồng ruộng gây ra ngập úng Tuy nhiên, hiện nay, đối với TP.HCM, ảnhhưởng ngập úng do lũ từ sông Mê Kông đã cơ bản được giải quyết nhờ có hệ thống cốngkiểm soát lũ ở khu vực này

Hình 1 2 Số liệu thống kế số lượng điểm ngập tại Tp HCM 2008-2016 [1]

 Nguyên nhân chủ quan

Ngoài những nguyên nhân khách quan trên, còn có nguyên nhân chủ quan do con ngườigây nên, gồm:

Nguyên nhân ngập úng do hệ thống tiêu (cống tiêu, kênh tiêu ): đặc biệt là khu nộithành, hệ thống tiêu thoát nước cũ kỹ, hư hỏng, không hoặc chưa được duy tu, bãodưỡng, nạo vét thường xuyên hoặc chưa được hoàn chỉnh,… cho nên khi có mưa (dù mưavừa) cũng đã gây nên ngập úng nhiều khu vực của thành phố

Nguyên nhân ngập úng do đô thị hoá: quá trình đô thị hoá thành phố đã làm giảm sựđiều tiết tự nhiên của bề mặt lưu vực Đối với nội thành, phần lớn đất đai được bê tônghoá, nhựa hoá xây dựng nhà, công xưởng, đường sá Do vậy, khi mưa xuống, hầu nhưtoàn bộ mưa đều tập trung thành dòng chảy (đường trở thành sông cũng chính vì vậy),không thể thấm xuống đất để giảm bớt lượng dòng chảy tập trung Tệ hơn, hệ thống kênhrạch, ao hồ bị san lấp vô tội vạ như rạch Ông Kích, rạch Bà Lài, rạch Cụt, Bình Tiên, BàLài, Đầm Sen, ao Sen, v.v…Nhiều kênh rạch khác đang ở trong tình trạng báo động đỏnhư rạch Lăng, rạch Bình Lợi, rạch Văn Thánh,…

Nguyên nhân ngập úng do ý thức của người dân chưa cao: người dân thường có nhữnghành vi như xả rác bừa bãi ra đường dẫn đến bít đường ống tiêu thoát nước làm cho tìnhtrạng tiêu thoát nước khó khăn Bên cạnh đó, TP.HCM cũng đang trong quá trình pháttriển và đang là “đại công trường xây dựng” với rất nhiều xe cộ thực hiện vận chuyển cácvật liệu xây dựng như cát sỏi gây vương vãi, khi mưa đến tập trung vào các hố ga, miệngcống làm giảm tiết diện tải nước cũng như làm tăng độ nhám của hệ thống, cản trở quátrình di chuyển của dòng chảy làm cho tình trạng ngập úng trầm trọng hơn Mặt khácnhiều kênh rạch bị san lấp làm mất thể tích trữ nước.

Nguyên nhân ngập úng do công tác quản lý đô thị kém: Việc quản lý kém có nhiềunguyên nhân khách quan và chủ quan khác nhau Trên thực tế, hiện trạng các hệ thốngcông trình tiêu còn thiếu, còn yếu thì điều rõ ràng giải quyết tốt các vấn đề tiêu thoát mộtcách triệt để là khó khả thi, và thực tế đã chứng minh điều này Bên cạnh đó, chi phí xâydựng mới, cải tạo, nâng cấp hệ thống tiêu thoát nước đối với TP.HCM cần có nguồn vốnlớn Tuy nhiên, vấn đề này còn có nguyên nhân chủ quan là tiến độ thực hiện các dự án,giải quyết vấn đề thường chậm, mối liên hệ phối hợp trong nghiên cứu, chủ động tìm giảipháp thích hợp chưa được quan tâm đúng mức

1.1.2 Các giải pháp chống ngập

Trước tình trạng ngập lụt ngày càng là nỗi bức xúc của người dân cũng như ảnh hưởngnghiêm trọng đến quá trình phát triển kinh tế xã hội của Thành phố, lãnh đạo và các cấpchính quyền cùng mọi tầng lớp trong nhân dân đều cố gắng tìm mọi giải pháp để khắcphục tình trạng ngập lụt Trong đó, có một số giải pháp đã được thực hiện thí điểm tạinhiều khu vực, tuyến đường của Thành phố Trong đó có một số giải pháp tiêu biểu nhưtúi nước mưa dã chiến, bơm ly tâm, cống ngăn triều, v.v…

Hình 1 3 Giải pháp cống ngăn triều cường [2]

Hình 1 4 Giải pháp cống ngăn triều cường [2]

Hình 1 5 Giải pháp bơm ly tâm [3]

Hình 1 6 Giải pháp bơm ly tâm [3]

1.2 Hướng nghiên cứu

Từ thực trạng và nguyên nhân của vấn đề ngập lụt tại thành phố Hồ Chí Minh để thấyrằng vấn đề ngập lụt tại Thành phố là vấn đề vô cùng lớn và hết sức phức tạp Đã cónhiều giải pháp đưa ra nhưng phần lớn các giải pháp đến thời điểm hiện tại đều chưakiểm soát được vấn đề ngập lụt Đối với hướng nghiên cứu của đề tài sẽ tập trung vàoviệc giải quyết vấn đề ngập lụt của Thành phố bằng giải pháp điều tiết vận tốc dòng chảy.Nghiên cứu được chia làm hai hướng: giải pháp cục bộ và giải pháp toàn cục Trong đó,giải pháp cục bộ sẽ điều tiết dòng chảy từ hộ gia đình ra hệ thống thoát nước công cộngbằng việc sử dụng hố ga điều tiết Đối với giải pháp toàn cục, đề tài sẽ tập trung xây dựngbản đồ số để giám sát, quản lý ngập đồng thời sẽ mô phỏng ngập với các kịch bản khácnhau của Thành phố để đưa ra phương án điều tiết dòng chảy Kết quả nghiên cứu của đềtài là một trong những kết quả của dự án chống ngập Thành phố được thực hiện dài hạnbởi Phòng Tính toán Cơ học và công ty Ninh Phong từ năm 2015 đến nay [14], [15].Trong đó, kết quả nghiên cứu giải pháp cục bộ đang được thử nghiệm tại đường PhúĐịnh - Quận 8 Một phần kết quả giải pháp toàn cục đã được nghiên cứu và trình bàytrong đề tài và tiếp tục nghiên cứu trong tương lai

1.3 Đối tượng nghiên cứu

- Hố ga điều tiết dạng hộ gia đình

- Hệ thống mạng lưới thoát nước bao gồm: hệ thống cống, hố ga, cửa xả, v.v…

- Thông số thủy hải vản, thủy lực của hệ thống thoát nước

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Đối với giải pháp cục bộ, đề tài sẽ sử dụng phần mềm Ansys để tính toán mô phỏng sứcbền của hố ga điều tiết dạng hộ gia đình và tính toán mô phỏng dòng chảy trong hố ga để

đánh giá khả năng điều tiết của hố ga đối với dòng chảy từ hộ gia đình ra hệ thống thoátnước công cộng.

Còn đối với giải pháp toàn cục, mô hình hệ thống thoát nước công cộng được xây dựngbằng phần mềm ArcGis từ dữ liệu được cung cấp bởi Trung tâm Chống ngập Thành phố

Hồ Chí Minh Khả năng đáp ứng của hệ thống thoát nước được tính toán mô phỏng bằng

mô hình một chiều trong phần mềm Mike Urban Bài toán sẽ bao gồm hai mô phỏng: môphỏng thủy văn (mô phỏng dòng chảy tràn trên khu vực) và mô phỏng thủy lực (môphỏng vận chuyển nước trong hệ thống thoát nước) Kết quả của bài toán mô phỏng thủyvăn là đầu vào cho các mô phỏng thủy lực

Sau khi xác định được các nguyên nhân gây ngập từ việc phân tích kết quả mô phỏng tácgiả sẽ đưa ra các điều chỉnh mô hình hệ thống thoát nước và thực hiện lại mô phỏng đểđánh giá và đưa ra giải pháp tối ưu trong việc điều tiết dòng chảy để giải quyết ngậptrong hệ thống thoát nước

1.5 Bố cục luận văn

Chương 1: Giới thiệu đề tài, mục đích và đối tượng nghiên cứu của giải pháp chống

ngập Thành phố Hồ Chí Minh

Chương 2: Giới thiệu hệ thống thoát nước đô thị và trình bày các cơ sở lý thuyết.

Chương 3: Trình bày hố ga điều tiết và ứng dụng trong việc giải pháp cục bộ.

Chương 4: Xây dựng bản đồ số hệ thống thoát nước trong giải pháp toàn cục.

Chương 5: Trình bày các trường hợp mô phỏng hệ thống thoát nước trong phần mềm

Mike Urban và so sánh kết quả các trường hợp trong khu vực áp dụng nghiên cứu giảipháp toàn cục

Chương 6: Kết luận và kiến nghị của luận văn.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu hệ thống thoát nước đô thị [6]

2.1.1 Định nghĩa

Hệ thống thoát nước là một tập hợp gồm những công cụ đường ống và những công trìnhthực hiện 3 chức năng: thu, vận chuyển và xử lý trước khi xả ra nguồn

2.1.2 Các loại hệ thống thoát nước đô thị

Hệ thống thoát nước là một tổ hợp các công trình, thiết bị và các giải pháp kỹ thuật đểthoát nước Căn cứ vào việc vận chuyển nước chung hay riêng ta có các loại hệ thốngthoát nước sau:

- Hệ thống thoát nước chung: là hệ thống mà tất cả các loại nước thải (nước thải sinhhoạt, nước thải sản xuất và nước mưa) được xả chung vào một mạng lưới và dẫn đếncông trình xử lý

Hình 2 1 Hệ thống thoát nước chung

- Hệ thống thoát nước riêng: là hệ thống có nhiều hai hay nhiều mạng lưới riêng biệtdùng để:

+ Vận chuyển nước bẩn nhiều (như nước thải sinh hoạt, nước thải sản xuất) xả vào

hệ thống xử lý

+ Vận chuyển nước ít bẩn hơn (như nước mưa, nước thải sản xuất ít nhiễm bẩn) xảvào nguồn nhận

Hình 2 2 Hệ thống thoát nước riêng

- Hệ thống thoát nước riêng một nữa: là hệ thống có nhiều ưu điểm, khắc phục đượcnhược điểm của hệ thống thoát nước riêng và chung Hệ thống thoát nước bao gồm hai hệthống: (1) thoát nước thải sinh hoạt và nước thải sản xuất, (2) thoát nước mưa

- Hệ thống hỗn hợp: là sự kết hợp các loại hệ thống kể trên, thường gặp ở những thànhphố cải tạo mở rộng Hệ thống thoát nước hỗn hợp sử dụng hợp lý khi xây dựng và cải

tạo hệ thống thoát nước trong những thành phố lớn (dân số trên 100.000 người) có nhiềuvùng với mức độ tiện nghi và địa hình khác nhau.

2.1.3 Hệ thống thoát nước mưa

Nhiệm vụ của hệ thống thoát nước mưa là vận chuyển nước mưa ra khỏi thành phố, khudân cư, khu công nghiệp một cách nhanh chóng và có tổ chức để tránh xảy ra ngập lụt.Đối với nước ta là nước có khí hậu nhiệt đới gió mùa do đó thoát nước mưa có ý nghĩa vôcùng quan trọng, có ảnh hưởng tới đời sống kinh tế - xã hội

Mạng lưới thoát nước mưa gồm mạng lưới thoát nước mưa bên trong và bên ngoài Mạnglưới thoát nước mưa bên trong thu nước mưa từ nền, mái nhà,…Mạng lưới thoát nướcmưa bên ngoài có nhiệm vụ thu nước mưa từ mạng lưới thoát nước mưa bên trong và vậnchuyển ra khỏi thành phố

Mạng lưới thoát nước mưa bao gồm các bộ phận:

- Giếng kiểm tra

- Giếng thu nước mưa

- Trạm bơm thoát nước mưa

- Hồ điều hòa

- Công trình xả nước mưa vào nguồn

2.2 Lý thuyết tính toán hệ thống thoát nước đô thị

2.2.1 Lưu vực thoát nước [7]

Một vùng đất của thành phố được giới hạn bới các đường phân thủy mà dốc về một phíađược gọi là lưu vực thoát nước Số lưu vực thoát nước phụ thuộc vào điều kiện địa hình,xác định dựa vào đường đồng mức trên bản đồ

Hình 2 3Mô tả hệ thống thoát nước đô thị [7].

Chú thích:

(1) Đường ống thoát nước đường phố

(2) Đường ống thoát nước chính của lưu vực

I, II, III Các lưu vực thoát nước

2.2.2 Thời gian tập trung nước [8]

Thời gian dòng chảy mưa đến điểm tính toán t (phút), được xác định theo công thức:

t    t t t (2.1)

t0: Thời gian nước chảy trên bề mặt đến rãnh đường, có thể chọn từ 5 đến 10 phút Nếutrong tiểu khu có đặt giếng thu nước mưa thì đó là thời gian chẩy đến cống của đườngphố (thời gian tập trung bề mặt) xác định theo quy định ở công thức (2.1) Riêng đối vớikhu vực mà tính chất đô thị chưa rõ rệt thì xác định theo quy định ở công thức (2.4).

t1: Thời gian nước chảy theo rãnh đường đến giếng thu (khi trong giới hạn tiểu khu khôngđặt giếng thu nước mưa) xác định theo quy định ở công thức (2.2)

t2: Thời gian nước chảy trong cống đến tiết diện tính toán xác dịnh theo công thức (2.3)

Thời gian nước mưa chảy theo rãnhđường t1 (phút) được xác định theocông thức:

(2.2)Trong đó:

L1: Chiều dài rãnh đường (m)

V1: Tốc độ chảy ở cuối rãnh đường (m/s)

Thời gian nước mưa chảy trong cống đến tiết diện tính toán xác định theo công thức:

2 2

L2: Chiều dài mỗi đoạn cống tính toán (m)

V2: Tốc độ chảy trong mỗi đoạn cống tương đương (m/s)

Đối với khu vực đô thị mà hệ thống thoát nước mưa chưa rõ rệt (không bố trí giếng thu,không có rãnh đường) thì thời gian tập trung nước mưa bề mặt (t0+t1) được xác định theo

1 1

- Công viên, đát trồng cây (á sét)

- Công viên, đất cây xanh (á cát)

- Bãi cỏ

0,240,2240,1450,1250,0840,0380,0200,015Chú thích: Khi diện tích bề mặt có nhiều loại mặt phủ khác nhau thì hệ số Z trung bìnhxác định bằng phương pháp bình quân theo diện tích

2.2.3 Lưu lượng tính toán thoát nước mưa [8]

Lưu lượng tính toán thoát nước mưa của tuyến cống (l/s) được xác định theo công thứctổng quát:

q: Cường độ mưa tính toán (l/s.ha)

C: Hệ số dòng chảy

F: Diện tích lưu vực mà tuyến cống phục vụ (ha)

Hệ số dòng chảy C phụ thuộc vào loại mặt phủ và chu kỳ lặp lại trận mưa tính toán P, xácđịnh theo Bảng 3

2.2.4 Cường độ mưa tính toán [8]

Cường độ mưa tính toán có thể xác định bằng biểu đồ hoặc công thức khác nhau, nhưngnên có đối chiếu so sánh để đảm bảo độ chính xác cao:

Theo biểu đồ quan hệ I-D-F (cường độ mưa- thời gian- tần suất) được lập cho từng vùnglãnh thổ

Theo công thức Wenzel:

d

C i

Td: Thời gian mưa (phút)

f: Chu kỳ lặp lại trận mưa

C: Hệ số phụ thuộc chu kỳ lặp lại trận mưa

Theo công thức:

(1 lg )( )n

A C P q

q: Cường độ mưa (l/s.ha)

t: Thời gian dòng chảy mưa (phút)

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

A, C, b, n: Tham số xác định theo điều kiện mưa của địa phương, có thể chọn theo Phụlục B trong tiêu chuẩn TCVN 7957-2008, đối với các vùng không có thì tham khảo vùnglân cận

Số liệu mưa cần có chuỗi thời gian quan trắc từ 20-25 năm bằng máy đo mưa tự ghi, thờigian mưa tối đa là 150-180 phút

Chu kỳ lặp lại trận mưa tính toán P đối với khu vực đô thị phụ thuộc vào qui mô và tínhchất công trình xác định theo Bảng 2

2.2.5 Hệ số dòng chảy [8]

Hệ số dòng chảy C xác định bằng mô hình toán quá trình thấm Trong trường hợp không

có điều kiện để xác định theo mô hình tính toán thì địa lượng C, phụ thuộc tính chất mặtphủ của lưu vực và chu kì lặp lại trận mưa tính toán P, được chọn theo bảng 3

Bảng 2: Chu kỳ lặp lại trận mưa tính toán [8]

Độ dốc nhỏ 1-2% 0,32 0,34 0,37 0,40 0,4

2.3 Lý thuyết trong phần mềm Ansys

2.3.1 Cơ sở lý thuyết tính toán bền cho hố ga điều tiết theo phương pháp Phần tử hữu hạn

2.3.1.1 Giới thiệu phương pháp Phần tử Hữu hạn [9]

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM – Finite Element Method) là một phương pháp sốdung để giải các bài toán cơ học Tư tưởng của phương páp là chia vật thể ra thành mộttập hữu hạn các miền con liền nhau nhưng không kiên kết hoàn toàn với nhau trên khắptừng mặt biên của chúng Trường chuyển vị, biến dạng, ứng suất được xác định trongtừng miền con Mỗi miền con được gọi là một phần tử hữu hạn Dạng phần tử có thể làthanhm thanh dầm, vỏ, khối Các phần tử được nối kết với nhau qua các nút, nút đượcđánh số theo thứ tự từ 1 đến n (n là số nút của phần tử)

2.3.1.2 Trình tự giải bài toán theo phương pháp Phần tử hữu hạn

Bước 1: Rời rạc hóa miền khảo sát:

Trong bước này, miền khảo sát V được chia thành các miền con V e hay thành cácdạng phần tử có dạng hình học thích hợp

Với bài toán cụ thể số phần tử, hình dạng hình học của phần tử cũng như kíchthước của các phần tử phải được xác định rõ Số điểm nút mỗi phần tử không lấy đượcmột cách tùy tiện mà tùy thuộc vào hàm xấp xỉ định chọn

Các phần tử thường có dạng hình học đơn giản

Bước 2: Chọn hàm xấp xỉ thích hợp:

Vì đại lượng cần tìm là chưa biết, nên ta giả thiết dạng xấp xỉ của nó sao cho đơngiản đối với tính toán bằng máy tính nhưng phải thỏa mãn các tiêu chuẩn hội tụ Vàthường chọn ở dạng đa thức

Rồi biểu diễn hàm xấp xỉ theo tập hợp giá trị và có thể cả các đạo hàm của nó tại

các nút của phần tử {q} e

Bước 3: Xây dựng phương trình phần tử hay thiết lập ma trận độ cứng phần tử

 : ma trận độ cứng tổng thể (hay ma trận hệ số toàn miền)

 q : vector tập hợp các giá trị đại lượng cần tìm tại các nút (còn gọi là vector

chuyển vị nút tổng thể)

 P : vector các số hạng tự do tổng thể (hay vector tải tổng thể)

Rồi sử dụng điều kiện biên của bài toán, mà kết quả là nhận được hệ phương trìnhsau:

Đây chính là phương trình hệ thống hay còn gọi là hệ phương trình để giải

Bước 5: Giải hệ phương trình đại số:

Bước 6: Hoàn thiện:

Từ kết quả ở trên, tiếp tục tìm ứng suất, chuyển vị hay biến dạng của tất cả cácphần tử

Việc tính toán kiểm tra bền được thực hiện theo phương pháp phần tử hữu hạn thông quachương trình Ansys

2.3.2 Cở sở lý thuyết tính toán dòng chảy trong hố ga điều tiết

 Phương trình năng lượng:

Phương trình năng lượng viết dưới dạng tổng quát: