Nghiên cứu đánh giá khả năng điều tiết nước mưa của lưu vực nam sài gòn

TÓM TẮT Luận văn nghiên cứu khả năng tự điều tiết nước mưa của hệ thống sông rạch tự nhiên trong lưu vực phía Nam Sài Gòn.. Ưu điểm của giải pháp tận dụng hệ thống kênh rạch tự nhiên gi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS CHÂU NGUYỄN XUÂN QUANG

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS NGUYỄN THỐNG

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS HUỲNH CÔNG HOÀI

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, ngày 04 tháng 11 năm 2010

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

1

2

3

4

5

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)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

I HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : TÔ NGỌC HOÀI Phái : Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 25/01/1982 Nơi sinh : Phú Yên

Chuyên ngành : Xây dựng công trình thủy Khóa : 2007

MSHV : 02007750

I – TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ĐIỀU TIẾT NƯỚC MƯA CỦA LƯU

VỰC PHÍA NAM SÀI GÒN

II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Chương 1 : Giới thiệu

Chương 2 : Tổng quan

Chương 3 : Xây dựng mô hình toán

Chương 4 : Kết quả và thảo luận

Chương 5 : Kết luận và kiến nghị

III – NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV – NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V – HỌ VÀ TÊN CBHD: TS CHÂU NGUYỄN XUÂN QUANG

Tp HCM, ngày tháng năm 2011

TRƯỞNG KHOA

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trong bộ môn tài nguyên nước đã trang bị cho tôi những kiến thức quý báu về công trình thuỷ và tài nguyên nước, các thầy cô đã định hướng cho những nghiên cứu chuyên sâu hơn của ngành để từ đó nhìn nhận vấn đề một cách chi tiết hơn, rõ ràng hơn trong suốt quá trình học tập cũng như các ứng dụng vào đời sống trong tương lai Cùng với nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ của thầy cô, bạn bè và gia đình đã giúp tôi hoàn thành luận văn này

Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Châu Nguyễn Xuân Quang Thầy là người đặt nền tảng, định hướng đúng đắn cho tôi trong suốt quá trình từ đề cương luận văn tới khi hoàn thành luận văn này Bên cạnh sự hỗ trợ về số liệu mô hình, tài liệu nghiên cứu Thầy còn nhiệt tình chỉ bảo tận tình những khó khăn tồn tại trong suốt quá trình thực hiện đề tài Xin cảm ơn các bạn đã giúp đỡ, trao đổi thông tin, tài liệu với tôi trong suốt quá trình học tập

Công ty Tư vấn và Đầu tư Xây dựng Quốc tế đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này

Xin cảm ơn Gia đình và người thân tôi đã giúp đỡ, động viên tôi rất nhiều để tôi hoàn thành tốt luận văn này

Vì kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên luận văn còn nhiều thiếu sót, tôi rất mong nhận sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn Thay lời kết xin cảm ơn qúy thầy cô và chúc sức khoẻ đến quý thầy cô

Tác giả

Tô Ngọc Hoài

TÓM TẮT

Luận văn nghiên cứu khả năng tự điều tiết nước mưa của hệ thống sông rạch tự nhiên trong lưu vực phía Nam Sài Gòn Mô hình thủy văn thủy lực được lập dựa trên phần mềm tính toán thoát nước mưa EPA-SWMM để mô phỏng các kịch bản tính toán Đề tài đã xác định sơ bộ mực nước khống chế để đón mưa cho hệ thống sông rạch trong khu vực Kết quả nghiên cứu cho thấy tận dụng dung tích của các sông rạch tự nhiên có khả năng giải quyết vấn đề thoát nước cho khu vực này Tuy nhiên để có kết luận chính xác để ứng dụng vào thực tiễn cần đầu tư nghiên cứu thêm cho khu vực này

This thesis is research auto control rain drainage capacity of river in cathment at the south Nam Sai Gon The thesis will be simulate rainfall and runoff of Nam Sai Gon area with EPA – SWMM software for another case of calculation The result will be show capacity of river for responsible drainage the area However, the result exactly for use in project need invest more reseach for the area

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1  

Chương 1: 1  

GIỚI THIỆUU 1  

1.1 Đặt vấn đề 1  

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 3  

1.3 Nội dung nghiên cứu 3

1.4 Phạm vi nghiên cứu 4

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn 5

Chương 2: 6  

TỔNG QUAN 6  

2.1 Tổng quan khu vực nghiên cứu 6  

2.1.1 Điều kiện tự nhiên 6  

2.1.1.1 Điều kiện khí hậu 6

2.1.1.2 Địa hình 8

2.1.1.3 Địa chất 8

2.1.1.4 Hệ thống sông rạch 8

2.1.1.5 Thủy văn 11

2.1.2 Điều kiện kinh tế xã hội 12

2.1.2.1 Điều kiện kinh tế 12

2.1.2.2 Điều kiện xã hội 12

2.1.3 Tình hình sử dụng đất 13

2.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu 14  

Chương 3: 16  

THIẾT LẬP MÔ HÌNH TÍNH TOÁN 16  

3.1 Giới thiệu chung 16  

3.2 Cơ sở lựa chọn mô hình 16  

3.3 Giới thiệu mô hình EPA-SWMM 17

3.3.1 Mô hình thủy văn 17

3.3.2 Mô hình thủy lực 19

3.4 Số liệu cần thiết cho mô hình 23

3.5 Thiết lập mô hình 26

3.5.1 Các bước tiến hành thiết lập mô hình 26

3.5.2 Xác định biên tiểu lưu vực 27

3.5.3 Sơ đồ hóa mạng lưới tính toán 27

3.5.4 Phân chia tiểu lưu vực 28

3.5.5 Các thông số đầu vào của nút, đoạn kênh và tiểu lưu vực 28  

Chương 4: 33  

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33  

4.1 Các kịch bản tính toán 33  

4.2 Kết quả tính toán 36  

4.2.1 Trường hợp 1: 36

4.2.2 Trường hợp 2: 38

4.2.3 Trường hợp 3: 40

4.3 Thảo luận kết quả 42

4.4 Đề xuất giải pháp kiểm soát ngập lụt bền vững 43

Chương 5: 45  

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45  

5.1 Kết luận: 45  

5.2          Kiến nghị: 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

sự phát triển kinh tế xã hội của thành phố

Hình 1.1: Khu đô thị mới được xây dựng trên khu đất đầm lầy

Tại khu vực Nam Sài Gòn, quá trình đô thị hóa đang diễn ra rất phức tạp Hiện nay có hàng trăm dự án khu đô thị mới với quy mô từ vài chục ha đến vài trăm

ha đang được triển khai tại khu vực này Các kênh rạch tự nhiên trong khu vực đang

được san lấp để phục vụ cho những dự án hạ tầng đô thị Để giải quyết vấn đề thoát nước mưa, các hệ thống cống thoát nước mưa bằng BTCT đang được xây dựng

Hình 1.2: Một dự án thi công hệ thống thoát nước nhân tạo

San lấp, lấn chiếm kênh rạch tự nhiên gây ra những hệ quả to lớn đối với môi trường sinh thái Diện tích mặt nước bị thụ hẹp, các chủng loại sinh vật bị hủy diệt,… Ngoài ra, vấn đề sang lấp kênh rạch còn dẫn đến những hậu quả khó lường

về khả năng xảy ra ngập lụt tại khu vực này Các hệ thống thoát nước nhân tạo được xây dựng khó có khả năng thay thế cho hệ thống kênh rạch đã bị san lấp, trong khi

đó chi phí đầu tư xây dựng những hệ thống này là rất lớn Do đó, vấn đề đặt ra là tại sao không tận dụng hệ thống kênh rạch tự nhiên để giải quyết bài toán thoát nước mưa cho khu vực này Ưu điểm của giải pháp tận dụng hệ thống kênh rạch tự nhiên giải quyết thoát nước mưa là tiết kiệm chi phí đầu tư, không hủy hoại cảnh quan, môi trường sinh thái khu vực này Ngoài ra, nếu quy hoạch hài hòa các khu dân cư với mạng lưới sông rạch hiện trạng sẽ tạo ra những khu đô thị sinh thái đất đẹp và chất lượng cuộc sống rất tốt

Hình 1.3: Kênh đôi đang bị lấn chiếm bỡi nhà dân

Để có thể sử dụng hiệu quả mạng lưới kênh rạch phục vụ tiêu thoát nước cần tiến hành nghiên cứu khả năng trữ nước nó Từ kết quả tính toán sẽ đề xuất giải pháp sử dụng mạng lưới kênh rạch tự nhiên phục vụ thoát nước mưa nhằm tiến đến giải pháp kiểm soát ngập lụt bền vững trong khu vực này

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài nhằm đánh giá khả năng điều tiết nước mưa của hệ thống sông rạch và vùng trũng tự nhiên của lưu vực Nam Sài Gòn và đề xuất giải pháp kiểm soát ngập lụt bền vững cho khu vực này

1.3 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được các mục tiêu đã đề ra, những nội dung sau đây sẽ được thực hiện:

i Nghiên cứu điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội, hiện trạng quy hoạch xây dựng, chế độ thủy văn, thủy lực, hiện trạng ngập nước của lưu vực Nam Sài Gòn;

ii Lập mô hình toán mô phỏng dòng chảy mạng lưới sông rạch khu vực nghiên cứu;

iii Đánh giá khả năng điều tiết nước mưa của mạng lưới sông rạch;

iv Đề xuất giải pháp kiểm soát ngập lụt bền vững cho khu vực Nam Sài Gòn

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu xác định theo quy hoạch thoát tồng thể của JICA có diện tích 81.74 km2 Cao độ mặt đất thay đổi từ 0.5 đến 1.8m so với hệ cao độ quốc gia (hệ Hòn dấu, Hải Phòng) Địa hình của khu vực thoải dần theo hướng từ Bắc – Đông Nam đến Tây Bắc – Đông Nam Ranh giới địa lý khu vực thoát nước phía Nam cụ thể như sau:

o Phía Tây là huyện Bình Chánh

Hình 1.1: Phạm vi nghiên cứu

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn

Đề tài “Nghiên cứu đánh giá khả năng điều tiết nước mưa lưu vực Nam Sài Gòn” có ý nghĩa khoa học thực tiễn rất lớn Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ chỉ ra được khả năng tự điều tiết nước mưa trong các lưu vực có mạng lưới sông rạch dày đặc và chịu ảnh hưởng của thủy triều Ngoài ra, đề tài còn đề xuất hướng kiểm soát ngập lụt bền vững bằng cách tận dụng thể tích chứa nước của mạng lưới sông rạch

tự nhiên

Chương 2:

TỔNG QUAN

2.1 Tổng quan khu vực nghiên cứu

2.1.1 Điều kiện tự nhiên

2.1.1.1 Điều kiện khí hậu

Khu vực nghiên cứu nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa cận xích đạo vùng đồng bằng nên hàng năm có 2 mùa rõ rệt: mùa mưa từ tháng 6 đến tháng

11 và mùa khô từ tháng 12 đến tháng 5 năm sau

+ Nhiệt độ:

ƒ Nhiệt độ trung bình năm : 27.90C

ƒ Nhiệt độ cao nhất trong năm : 31.60C

ƒ Nhiệt độ thấp nhất trong năm : 26.50C

ƒ Biến thiên nhiệt độ giữa ban ngày và ban đêm từ 60C đến 100C + Độ ẩm không khí tương đối:

ƒ Độ ẩm tương đối trung bình năm : 78.0% (từ 1988 đến 1990)

ƒ Độ ẩm tương đối cao nhất : 79.5% (từ 1988 đến 1990)

ƒ Độ ẩm tương đối thấp nhất : 40.0% (từ 1988 đến 1990)

ƒ Độ ẩm tương đối cao nhất vào các tháng mùa mưa (từ 82% đến 85%) và thấp nhất vào các tháng mùa khô (từ 70% đến 76%)

+ Lượng bốc hơi:

ƒ Lượng bốc hơi cao nhất : 1223.3mm/năm (năm 1990)

ƒ Lượng bốc hơi thấp nhất : 1136.0mm/năm (năm 1989)

ƒ Lượng bốc hơi trung bình : 1169.4mm/năm

ƒ Các tháng có lượng bốc hơi cao nhất thường vào mùa khô (từ 104.4mm ÷ 88.4mm/tháng)

+ Chế độ mưa:

Lượng mưa chủ yếu tập trung vào tháng 06 đến tháng 11 hàng năm, chiếm từ 65% ÷ 95% lượng mưa rơi cả năm Tháng có lượng mưa cao nhất (537.9mm) vào tháng 09 năm 1990 Các tháng từ tháng 12 đến tháng 04 năm sau hầu như không có mưa

ƒ Lượng mưa trung bình năm : 1859.4mm

ƒ Lượng mưa cao nhất : 2047.7mm (năm 1990)

ƒ Lượng mưa thấp nhất : 1654.3mm (năm 1985)

ƒ Lượng mưa lớn nhất trong ngày : 177mm

Mưa đô thị có các đặc trưng khác biệt với các khu vực khác:

ƒ Cường độ mưa trận và tổng lượng mưa năm cao hơn

ƒ Số ngày mưa, số trận mưa trong năm nhiều hơn

ƒ Phân bố mưa phức tạp khó tìm qui luật

+ Bức xạ mặt trời:

Khu vực nghiên cứu nằm ở vĩ độ thấp, vị trí mặt trời luôn cao và ít thay đổi qua các tháng trong năm, do vậy chế độ bức xạ rất phong phú và ổn định

ƒ Tổng lượng bức xạ trong năm : 145 – 152 Kcal/cm2

ƒ Lượng bức xạ cao nhất : 15.69 Kcal/cm2 (vào tháng 3)

ƒ Lượng bức xạ thấp nhất : 11.37 Kcal/cm2 (vào các tháng

mưa)

ƒ Số giờ nắng trong năm : 2488 giờ

ƒ Số giờ nắng cao nhất bình quân trong ngày : 8.0 giờ/ngày

ƒ Số giờ nắng cao nhất bình quân trong ngày : 5.5 giờ/ngày

Trong vùng có 2 hướng gió chính (gió Đông – Nam và Tây – Tây Nam) lần lượt xen kẽ nhau từ tháng 5 đến tháng 1 Không có hướng gió nào chiếm ưu thế Tốc độ gió trung bình 5.6m/s

2.1.1.2 Địa hình

Khu vực nghiên cứu nằm ở 106035’ đến 106055’ kinh Đông và từ 10040’ đến

10055’ vĩ bắc của miền Đông Bắc vùng đồng Bằng Sông Cửu Long Cao độ mặt đất thay đổi khoảng 0.5÷1.8m trên mực nước biển trung bình Hướng dốc mặt đất nhìn chung của phạm vi nghiên cứu theo hướng từ Bắc – Đông Nam đến Tây Bắc – Đông Nam

Địa hình khu vực nghiên cứu thấp dần từ kênh Đôi – kênh Tẻ với cao trình 1.2÷1.4m giảm xuống còn 0.2÷0.5m ở khu vực ngã ba rạch Phước Kiểng – Mương Chuối Phần diện tích phía trên Nguyễn Văn Linh có địa hình tương đối đồng đều, trừ khu vực phía Nam rạch Ông Bé

Địa hình khu vực là đồng bằng đang đô thị hoá Cao độ địa hình do người dân

và các công ty kinh doanh nhà san đắp tạo thành nhằm tránh ảnh hưởng ngập do thuỷ triều Các trục đường giao thông như tuyến Nguyễn Văn Linh, Nguyễn Thị Thập là những trục chia địa hình thành các ô bàn cờ Do không chênh lệch cao độ rõ rệt, dạng địa hình bằng phẳng gây bất lợi cho việc tiêu thoát nước bền vững

Toàn bộ số liệu về địa hình được tham khảo từ dự án qui hoạch thoát nước chi tiết khu vực phía Nam của công ty HADECON

và nửa kết có nguồn gốc sông Khu vực nghiên cứu nằm trên vùng có cấu tạo đất phù sa cũ.

2.1.1.4 Hệ thống sông rạch

Hệ thống sông rạch khu vực nghiên cứu cực kỳ phức tạp, các sông rạch nhỏ hình thành để thoát nước cho các khu vực cục bộ Các sông rạch nhỏ đổ ra các sông lớn như sông Sài Gòn, sông Nhà Bè, sông Cần Giuộc là các sông có lưu vực lớn, có nguồn, có ảnh hưởng quyết định đến chế độ nước vùng nghiên cứu

Kênh Đôi – Kênh Tẻ, Tàu Hủ – Bến Nghé hiện có nhiệm vụ thu nước mưa, nước thải của vùng trung tâm đổ ra sông Cần Giuộc và sông Sài Gòn cũng như chuyển về phía Nam theo hệ thống sông rạch tự nhiên đổ ra các sông lớn theo các tuyến rạch Đỉa - Phú Xuân, rạch cây Khô - Phước Kiểng - Mương Chuối, rạch Ông Lớn - Cây Khô - Bà Lào - Cần Giuộc

Diện tích mặt nước và sông ngòi chiếm trên 1/4 diện tích tự nhiên Mật độ lưới sông, rạch tương đối dày đặc

Cũng như các nơi khác, sông rạch trong vùng được hình thành trong mối tác động tương hỗ giữa dòng nước và lòng dẫn, tuân thủ các quy luật trọng lực, tiêu năng tối thiểu và quy luật thủy triều Cần lưu ý thêm rằng điều kiện địa chất như đã nói trên ở đây đóng một vai trò quyết định trong việc hình thành các lòng sông cơ bản:

Hình 2-1: Hệ thống sông rạch trong lưu vực nghiên cứu

Bảng 2.2: Bảng thống kê kích thước sông rạch khu vực nghiên cứu

Các sông trùng với đứt gãy có lòng sông sâu, vách đứng khá ổn định, trừ

rạch Mương Chuối là nơi bị xâm thực mạnh nhất cả theo phương ngang và phương thẳng đứng do việc tập trung dòng triều, nhất là trong pha triều rút

2.1.1.5 Thuỷ văn

Vùng sông Sài Gòn – Nhà Bè là vùng chịu ảnh hưởng của chế độ bán nhật triều không đều ở biển Đông Mỗi ngày có 2 lần triều lên, 2 lần triều xuống Mỗi tháng có 2 kỳ triều kém, 2 kỳ triều cường Trong thời kỳ triều cường biên độ triều lớn, hình chữ M, mực nước lớn Trong thời kỳ triều kém, biên độ triều mực nước nước đều kém, chênh lệch giữa 2 chân triều là đáng kể

Mức nước đỉnh triều trong năm cao nhất vào tháng 10, 11, thấp nhất vào tháng

6, chênh lệch nhau khoảng 40 cm tại trạm Vũng Tàu, 32 cm tại trạm Phú An Mực nước chân triều trong năm thấp nhất xuất hiện đồng bộ với mức nước đỉnh, thấp nhất vào tháng 6, 7, cao nhất vào tháng 10, 11 Biên độ triều dọc sông Sài Gòn – Nhà Bè rất lớn Biên độ triều lớn nhất vào tháng 7 tại trạm Phú An là 3.22 m, trong mùa lũ chân triều cao lên biên độ giảm nhỏ xong giá trị trung bình khoảng 2.7 m Với mức nước đỉnh triều trên đây ta thấy trong vùng sẽ có nhiều nơi ngập nước vào lúc triều cao, xong do chân triều rất thấp nên nước cũng rút ngay sau đó Quá trình ngập nước triều diễn ra theo chu kỳ ngày đêm

Chế độ nước vùng nghiên cứu: Trong vùng quanh năm nước chảy 2 chiều, chảy lên vào nội đồng khi triều lên, chảy xuống từ nội đồng rút ra khi triều xuống Thủy triều biển Đông theo sông Nhà Bè – Sài Gòn đổ vào nội đồng từ phía Đông – Đông Nam và theo sông Cần Giuộc từ phía Tây tạo nên vùng giao hội nước trong nội đồng Nơi triều đến muộn nhất từ các phía là vùng giữa các kênh Đôi – kênh Tẻ, Tàu Hủ – Bến Nghé

Ở vùng giao hội nước, vận tốc dòng nước nhỏ, thời kỳ truyền triều kéo dài do

đó khó tiêu thoát, bồi lắng mạnh Đó là vùng ô nhiễm nhất hiện nay trong vùng nghiên cứu và của thành phố

Nhận xét về thủy văn khu vực nghiên cứu:

ƒ Trong mùa kiệt mức nước đỉnh triều trong nội đồng có xu thế cao hơn ngoài sông lớn do sự giao hội triều ở một vùng triều mạnh

ƒ Mức nước chân triều cao hơn ngoài sông theo quy luật chung, xong ở tất cả mọi nơi mức nước chân triều đều thấp hơn cao trình các bãi biển, đồng ruộng, đủ đảm bảo cho việc tiêu thoát nước

ƒ Trong mùa lũ mức nước các vùng phía Tây cao lên rõ rệt chứng tỏ ảnh hưởng của lũ sông Mê Kông là đáng kể và hướng thoát là hướng Tây Bắc - Đông Nam

ƒ Trên các kênh ngang: kênh Đôi – kênh Tẻ, tàu Hủ – Bến Nghé mức nước cao nhất ở vùng giữa, thấp dần ra hai phía sông Sài Gòn, sông Cần Giuộc

Trong số 4 cửa lớn đổ nước từ phía Đông Nam lên (Tân Kim, Hiệp Phước, Mương Chuối, Phú Xuân), cửa Mương Chuối hoạt động mạnh nhất (chiếm 50% tổng lượng nước vào ra qua 4 cửa trong 2 đợt đo), kế đó là Tân Kim chiếm trên 30% Hoạt động yếu nhất là cửa Phú Xuân (4 – 7.5%)

Lượng nước đổ qua 2 cửa kênh Tẻ và Bến Nghé rất nhỏ so với 4 cửa phía dưới (2.5%), trong đó lượng nước qua cửa Bến Nghé không đáng kể (0.2 – 0.7%)

Trong số 3 cửa nối thông kênh Đôi với các rạch phía Nam thì 2 cửa phía Đông (rạch Ông, Hiệp An) luôn luôn đổ nước vào kênh Đôi lúc triều lên và rút nước từ kênh Đôi xuống phía Nam khi triều xuống Riêng cửa Bà Tàng hoạt động theo xu thế ngược lại, đổ vào rạch Bà Tàng khi triều lên và rút ra kênh Đôi khi triều xuống Lượng nước rút ra theo các cửa cũng phân bố gần như theo các trình tự trên đây

2.1.2 Điều kiện kinh tế xã hội

2.1.2.1 Điều kiện kinh tế

Về kinh tế và thương mại, khu vực nghiên cứu đang xây dựng một hệ thống trung tâm mua sắm, siêu thị, chợ đa dạng Nhiều trung tâm thương mại hiện đại xuất hiện như Phú Mỹ Hưng,…

2.1.2.2 Điều kiện xã hội

Điều kiện xã hội bao gồm ba thành phần: dân cư, y tế và giáo dục cụ thể như sau:

Dân cư:

Theo kết quả dự báo, dân số trong khu vực vào khoảng 475,000 người (năm 2020) Thu nhập bình quân đầu người rất cao so với mức bình quân của cả Việt Nam, nhưng khoảng cách giàu nghèo cũng khá lớn

+ Y tế

Những bệnh truyền nhiễm phổ biến ở các nước đang phát triển như sốt rét,

sốt xuất huyết, tả, thương hàn hay các bệnh của những quốc gia công nghiệp phát

triển, như tim mạch, tăng huyết áp, ung thư, tâm thần, bệnh nghề nghiệp đều xuất

hiện tại khu vực nghiên cứu Hệ thống bệnh viện ở khu vực cũng tương đối hiện đại

và cũng phần nào đáp ứng được nhu cầu khám chữa bệnh của người dân

+ Giáo dục

Trình độ dân trí chưa cao và chênh lệch giữa các thành phần dân cư, đặc biệt

là các khu dân cư mới và khu dân cư hiện hữu Giáo dục đào tạo vẫn chưa tương

xứng với nhu cầu của xã hội Hệ thống cơ sở vật chất ngành giáo dục chưa được

đầu tư đúng mức

2.1.3 Tình hình sử dụng đất

Khu vực nghiên cứu có diện tích 81.74 km2 với dân số 475,000 người (năm

2020), mật độ trung bình là 47 người/ha, tối thiểu là 5người/ha ở phường Tân

Phong đến 137người/ha ở phường Tân Quý

- Tình hình sử dụng đất hiện hữu

+ Đất nông nghiệp và các loại đất khác chiếm 83%

+ Đất thổ cư phát triển dọc theo kênh Tẻ và Tỉnh lộ 15

Cơ sở trên quy hoạch sử dụng đất trong tương lai, đất nông nghiệp sẽ chuyển

thành đất thổ cư, thương nghiệp và hành chính Vùng cây xanh cũng sẽ được phát

triển ở lưu vực này Dự kiến sử dụng đất được trình bày trong Bảng 2.1 dưới đây

Quy hoạch sử dụng đất Hiện tại (ha) Năm 2025

Dân cư, thương nghiệp và hành chính 4,546 13,561

2.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu

Tận dụng dung tích hệ thống sông rạch tự nhiên để điều tiết lượng nước mưa nhằm kiểm soát ngập cho các khu vực đô thị vùng triều là một trong những giải pháp thoát nước bền vững với chi phí thấp Mặc dù vậy, giải pháp này vẫn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ và triển khai ứng dụng trong thực tiễn trên địa bàn Tp HCM Hiện nay, nhằm giải quyết vấn đề thoát nước cho lưu vực Nam Sài Gòn một số dự án đã được triển khai như sau:

Nghiên cứu quy hoạch thoát nước tổng thể khu vực Tp HCM đến năm 2020 thực hiện bởi JICA năm 1998: Dự án này đã thực hiện phân vùng thoát nước cho khu vực Tp HCM Khu vực nghiên cứu là một trong những tiểu lưu vực được quy hoạch bởi đồ án này Quy hoạch của JICA cũng đã chỉ ra rằng các dự án phát triển khu Nam Sài Gòn sẽ làm thay đổi cơ cấu sử dụng đất từ vùng đất thấp nông nghiệp thành khu dân cư, khu hành chính và khu công nghiệp Quy hoạch cũng đã đề xuất các biện pháp xây dựng và biện pháp tận dụng điều kiện tự nhiên để thoát nước mưa không xây dựng công trình thoát nước như sau:

(a) Qui hoạch đất dọc các bờ sông và kênh rạch hiện hữu cùng với những quy định sử dụng đất chủ yếu dành cho vùng đồng lúa thấp dể trử nước (b) Xây dựng các mương thoát nước cấp hai, cấp ba,hệ thống cống thoát nước cho khu xây dựng hiện hữu

(c) Cải tạo từng phần các kênh rạch chính

(d) Xây dựng công trình thoát nước cấp 2 và cấp 3 trong khu vực mới phát triển

Đề nghị các hạng mục (a) & (b), và (c) & (d) được thực hiện theo các chương trình ngắn và trung hạn hoặc dài hạn bởi vì Dự án Phát triển khu Nam Sài Gòn dự kiến do tư nhân thực hiện

Nghiên cứu quy hoạch chi tiết lưu vực phía Nam của công ty tư vấn và thiết

kế xây dựng Hà Nội – Chi nhánh Tp HCM (HADECON) cũng đã được triển khai

để thực hiện quy hoạch thoát nước chi tiết cho lưu vực phía Nam theo đề xuất của quy hoạch tổng thể Dự án đã triển khai đo đạc mặt cắt kênh rạch, khảo sát địa hình

và lập mô hình tính toán thủy văn thủy lực cho khu vực nghiên cứu Tuy nhiên, mặc

dù rất cố gắng nhưng đến nay dự án vẫn chưa hoàn thành Do đó chưa thể áp dụng trong công tác quản lý và xây dựng hệ thống thoát nước cho khu vực này

Dự án quy hoạch thủy lợi chống ngập úng đã được triển khai vào năm 2008 với quan điểm là xây dựng hệ thống đê bao và các cống kiểm soát triều để bảo vệ toàn bộ khu vực Tp HCM Dự án này cũng chỉ ra được khả năng tận dụng dung tích của hệ thống kênh rạch tự nhiên để điều tiết nước mưa Tuy nhiên, do đây là một dự án quy hoạch tổng thể nên chưa quan tâm chi tiết đến các khu vực cụ thể

Ngoài ra, dự án nghiên cứu quy hoạch mạng lưới hồ điều tiết phân tán giảm ngập cho khu vực Tp HCM cũng đang được triển khai Nội dung dự án này nhằm quy hoạch không gian điều tiết nước mưa kiểm soát ngập lụt và ứng phó với tình trạng ngập lụt gia tăng do ảnh hưởng của quá trình đô thị hóa và tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu Dự án án cũng sẽ tính toán đề xuất dung tích cần thiết để điều tiết nước mưa tại chỗ cho các khu dân cư đang được xây dựng mới từ đó đề xuất UBND thành phố ban hành quy chế để áp dụng vào thực tiễn tại Tp HCM Không gian điều tiết nước mưa dự kiến là dung tích các sông rạch tự nhiên, các khu công viên cây xanh Tuy nhiên đến này vì nhiều lý do khác nhau nên dự án vẫn chưa được triển khai

Do đó có thể nói nghiên cứu khả năng điều tiết nước mưa của hệ thống sông rạch là rất cần thiết hiện nay

Chương 3:

THIẾT LẬP MÔ HÌNH TÍNH TOÁN

3.1 Giới thiệu chung

Mô hình toán thủy văn thủy lực đang được sử dụng rộng rãi hiện nay trong công tác thiết kế, quy hoạch, quản lý và vận hành các hệ thống Tài nguyên nước Sử dụng mô hình toán được xem như là giải pháp hiệu quả và kinh tế Khả năng mô phỏng các quá trình mưa dòng chảy xảy ra trên lưu vực, các diễn biến thủy lực trong hệ thống sông rạch của mô hình giúp các nhà nghiên cứu có đánh giá được các ứng xử của hệ thống thủy văn thủy lực ứng với các kịch bản có khả năng xảy ra Nhằm phục vụ cho mục đích nghiên cứu của đề tài, một mô hình toán thủy văn thủy lực sẽ được lập để mô phỏng quan hệ mưa dòng chảy và diễn biến dòng chảy trong kênh rạch của khu vực nghiên cứu Công tác lập mô hình thủy văn thủy lực cho khu vực nghiên cứu bao gồm các nội dung chính như sau:

i Lựa chọn mô hình phù hợp

ii Cơ sở lý thuyết mô hình

iii Thu thập tài liệu phục vụ công tác lập mô hình

iv Thiết lập và hiệu chỉnh mô hình

Các nội dung chính sẽ được trình bày trong các mục tiếp theo

3.2 Cơ sở lựa chọn mô hình

Hiện nay có rất nhiều mô hình toán thủy văn thủy lực đã được nghiên cứu và ứng dụng thành công trong thực tế Các mô hình hiện có rất đa dạng và có phạm vi

sử dụng khác nhau Do đó cần thiết phải lựa chọn mô hình phù hợp với mục đích nghiên cứu, hiện trạng số liệu, cũng như thời gian và kinh phí cho phép của dự án Thông thường các mô hình phức tạp sẽ cho kết quả tốt hơn so với các mô hình đơn giản nhưng thường đòi hỏi số liệu đầu vào chi tiết hơn và đầy đủ hơn Tuy nhiên, trong thực tế không phải lúc nào cũng đáp ứng đầy đủ số liệu đầu vào cho các mô hình Vì vậy, tiêu chí để lựa chọn mô hình trong nghiên cứu này là mô hình đơn giản, dễ sử dụng, phổ biến và đáp ứng được các mục tiêu nghiên cứu

Một số mô hình toán rất phổ biến như MIKE (MIKE11, MIKE21, MIKE

FLOOD, MIKE URBAN,…), INFOWORKS, DELFT, Telemark, SOBEK, SWMM đều có thể sử dụng cho tính toán mô phỏng trong đề tài này Tuy nhiên, vì

EPA-lý do kinh phí, hiện trạng số liệu, cũng như thời gian nghiên cứu có hạn nên mô hình EPA-SWMM với khả năng mô phỏng được quan hệ mưa dòng chảy trên lưu vực cũng như chế độ thủy lực trong mạng lưới sông rạch được chọn để lập mô hình phục vụ công tác nghiên cứu của đề tài này

3.3 Giới thiệu mô hình EPA-SWMM

Mô hình SWMM (Storm Water Mangement Model) do cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (Environmemtal Protection Agency) phát triển được gọi tắt là EPA-

SWMM Mô hình này đã được sử dụng thành công trong tính thoát thiết kế, quy hoạch, quản lý rất nhiều hệ thống thoát nước trên thế giới Mô hình này khởi đầu được phát triển vào năm 1971 và được nâng cấp nhiều lần cho đến ngày hôm nay Phiên bản mới nhất hiện nay do EPA phát triển là EPA-SWMM Version 5.0.021

Cấu trúc của mô hình EPA-SWMM có thể chia thành hai mô hình con: mô hình thủy văn và mô hình thủy lực Mô hình thủy văn được ứng dụng để mô phỏng quan hệ mưa dòng chảy trên lưu vực Mô hình thủy lực dùng để mô phỏng quá trình thủy lực trong hệ thống kênh rạch, bao gồm cả cả kênh hở và kín Cơ sở lý thuyết của mô hình EPA-SWMM được trình bày sau đây

3.3.1 Mô hình thủy văn

Trong chương trình SWMM, quan niệm mô phỏng dòng chảy mặt được minh họa như hình 3.1 Mỗi tiểu lưu vực được xem như là một hồ chứa phi tuyến Dòng chảy vào hồ bao gồm mưa và các lưu vực thượng lưu được xác định Dòng chảy ra khỏi hồ bao gồm thấm, bốc hơi, và dòng chảy mặt Các tổn thất do đọng nước (ponding) trên lưu vực, do làm ướt bề mặt (surface wetting) và do chiếm giữ bởi thực vật (interception) được mô phỏng như là khả năng giữ nước trong hồ và đặc trưng bằng dung tích điền trũng (depression storage) dp(m) Dòng chảy tràn chỉ xuất hiện khi chiều sâu nước trong hồ, d(m), vượt quá chiều sâu nước điền trũng Lưu lượng nước ra khỏi hồ, Q(m3/s), được tính bằng công thức Manning như sau

2 / 1 3 / 5) (

1

S dp d n W

Trong đó: W : Chiều rộng trung bình lưu vực (m)

n : Hệ số nhám Manning

dp : Tổn thất điền trũng

S : Độ dốc lưu vực

Hình 3.1 Sơ đồ mơ phỏng quan hệ mưa dịng chảy

Mơ hình thấm HORTON (1940): Horton nhận xét rằng quá trình thấm bắt đầu từ một tốc độ thấm f0 khơng đổi, sau đĩ giảm dần theo quan hệ số mũ cho đến khi đạt tới một giá trị khơng đổi f∞ Mơ hình thấm Horton được áp dụng cho để tính cho trận mưa một đỉnh và dạng đường cong mưa biến đổi khơng lớn

0 ( 0 ) kt p

f = f + f − f∞ e−

(3.2)

Trong đĩ: fp (mm/s) : Cường độ thấm vào đất;

f∞ (mm/s) : Cường độ thấm nhỏ nhất tại thời điểm bão hịa;

f0 (mm/s) : Cường độ thấm lớn nhất tại thời điểm ban đầu t=0 Trong mơ hình Epa – SWMM cĩ 3 phương pháp để tính tốn thấm khác nhau: phương trình thấm Horton, phương trình thấm Greent Ampt và phương pháp đường đặc trưng Tuy nhiên trong đề tài này thì mơ hình thấm Horton được chọn để tính tốn thấm cho các tiểu lưu vực

Mơ hình Epa – SWMM cĩ vấn đề nêu dưới đây cĩ liên quan đến thủy văn:

Mô hình mưa là hàm theo thời gian

Bốc hơi từ mặt nước

Lượng mưa giữ lại bỡi các khu trữ

Quá trình thấm vào đới không bão hòa của đất

Quá trình thấm vào mực nước ngầm

Dòng trao đổi giữa nước ngầm và nước mặt

Lan truyền dòng chảy tràn trên mặt

Trong đó: A : Diện tích mặt cắt ngang

Q : lưu lượng trong lòng dẫn x: khoảng cách dọc theo lòng dẫn t: Thời gian

Gọi Q là lưu lượng dòng chảy: V = Q/A (3.4) Thay (3.4) vào (3.3) ta rút ra được:

∂

∂ : Đại lượng đặt trưng cho dòng chảy ổn định đều

Với: H = z+h là cột nước đo áp: (z: độ cao đáy, h: chiều sâu nước)

Độ dốc đáy S0 = dz/dx đã được bao hàm trong gradient thuỷ lực của H

Từ đây ta có thể áp dụng phương trình động lượng cho các cống, kênh, mương cũng như phương trình liên tục được dùng để cân bằng tại các nút Vậy động lượng được bảo toàn trong lòng dẫn và phương trình liên tục được áp dụng tại nút

Thay (3.11) vào (3.10) để khử số hạng V

x

∂

∂ , ta được phương trình động lượng kết hợp với phương trình liên tục dưới dạng sau:

Vậy ta rút ra được phương trình chung để tính toán thuỷ lực cho mô hình là:

Sử dụng phương pháp sai phân hiện (sai phân tiến cho bước thời gian là Δ t

và sai phân trung tâm bước không gian là Δ x ) với sơ đồ sai phân hiện áp dụng vào phương trình (3.14) rồi biến đổi ta được phương trình rời rạc sau:

2 4/3

1

2 1

- Qt+Δt và Qt lần lượt là lưu lượng ở cuối và đầu thời đoạn Δ t

- V , A , R là trung bình có gia trọng của những giá trị tương ứng ở hai đầu vào thời điểm t,

-

t

A t

Áp dụng phương trình liên tục tại nút ta được:

Các phương trình (3.15) và (3.17) có thể giải nhằm xác định lưu lượng trong mỗi ống và cột nước tại nút tại mỗi bước thời gian Δ t

Ưu điểm của phương pháp sai phân theo sơ đồ hiện là đơn giản, dễ lập trình trên máy tính Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm là bị hạn chế về bước thời gian

Để lời giải được ổn định thì bước thời gian phải thoả mãn điều kiện Courant dưới đây:

Đối với cống, kênh, rạch:

- H Δ max là độ dâng lớn nhất của mặt nước tại bước thời gian Δ t,

- ∑ Q là tổng lưu lượng thực chảy vào nút

Bước thời gian được chọn sẽ là giá trị nhỏ nhất trong hai giá trị của phương trình

t

Δ

(3.18) và (3.19)

Mô hình Epa – SWMM có các khả năng mô phỏng thủy lực dưới đây:

Cho phép khai báo cống kín, kênh hở và sông tự nhiên

Cho phép mô phỏng các công trình như: khu trữ, trạm xử lý nước, cữa chia nước, trạm bơm, cống hở và cống ngầm

Cho phép xem xét các lưu lượng nhập từ chảy tràn, nước ngầm, nước thải và chuỗi lưu lượng tùy ý

Áp dụng phương pháp động lực học và động lực để mô phỏng

Mô phỏng các chế độ chảy khác nhau: thủy triều, chảy ngập trong cống, dòng chảy ngược, và ngập trên mặt đất

Cho phép khai báo chế độ điều khiển hoạt động của bơm hoặc cống

3.4 Số liệu cần thiết cho mô hình

Các số liệu cần thiết để thiết lập mô hình bao gồm:

- Số liệu mưa thiết kế:

- Tài liệu địa hình: Nguồn số liệu địa hình được lấy từ bản đồ địa hình

tỷ lệ 1/5000 của sở Tài nguyên-Môi trường năm 2004 Trong lưu vực nghiên cứu, cao độ nền tương đối bằng phẳng và thấp với cao độ từ 0.2÷1.8m với độ cao phân bố như sau:

Địa hình lưu vực nghiên cứu như hình 3.2

Hình 3.2: Bản đồ cao độ của lưu vực nghiên cứu

- Số liệu sông rạch: chiều dài sông rạch và số liệu mặt cắt ngang được tham khảo từ một số dự án trong khu vực nghiên cứu

- Triều điển hình: Triều trong mô hình là con triều đo được ngày 29/11/2007

Hình 3.3: Biểu đồ con triều điển hình

- Tài liệu quy hoạch sử dụng đất: được tham khảo từ bản đồ quy hoạch sử dụng đất đến năm 2025 trong khu vực Cơ cấu quy hoạch sử dụng đất được trình bày trong hình 3.4

Hình 3.4 : Bản đồ quy hoạch sử dụng đất của lưu vực nghiên cứu năm 2025

3.5 Thiết lập mô hình

3.5.1 Các bước tiến hành thiết lập mô hình

Mô hình toán thủy văn thủy lực được lập theo các bước như sau:

- Xác định biên tổng thể của lưu vực nghiên cứu

- Sơ đồ hóa mạng lưới tính toán thủy lực hệ thống sông rạch bao gồm xác định các nút và các đoạn kênh tính toán

- Phân chia các tiểu lưu vực

- Xác định các thông số đầu vào theo yêu cầu của mô hình EPA-SWMM

- Kiểm định và hiệu chỉnh mô hình

Chi tiết các bước được tiến hành như sau:

3.5.2 Xác định biên tiểu lưu vực

Biên tiểu lưu vực được xác định theo quy hoạch thoát nước tổng thể khu vực

Tp HCM đến năm 2020 Khu vực nghiên cứu là tiểu lưu vực phía Nam trong quy hoạch này

3.5.3 Sơ đồ hóa mạng lưới tính toán

Dựa vào bản đồ hệ thống sông rạch của lưu vực nghiên cứu, mô hình tính toán thủy văn thủy lực được xây dựng như hình 3.5 Toàn bộ mạng lưới sông rạch được sơ đồ hóa thành 274 đoạn kênh rạch và 251 nút Để dễ dàng truy xuất, tên nút được goi theo tên các kênh, rạch, sông có trong khu vực nghiên cứu

Hình 3.5: Sơ đồ thủy lực mạng lưới sông rạch

3.5.4 Phân chia tiểu lưu vực

Dựa vào các nút đã có ta tiến hành phân chia tiểu lưu vực cho các nút tương ứng Nguyên tắc phân chia tiểu lưu vực là theo đường phân thủy Sơ đồ phân chia tiểu lưu vực được trình bày như hình 3.6

Hình 3.6: Bản đồ phân chia tiểu lưu vực của lưu vực nghiên cứu

3.5.5 Các thông số đầu vào của nút, đoạn kênh và tiểu lưu vực

Các thông số đầu vào của nút bao gồm:

Hình 3.7: Bản đồ phân nút của lưu vực nghiên cứu trên Mapinfo

Các thông số đầu vào của đoạn kênh tính toán:

Hình 3.8: Bản đồ đoạn kênh của lưu vực nghiên cứu trên Mapinfo

Các thông số của tiểu lưu vực:

Hình 3.9: Bản đồ phân chia tiểu lưu vực của lưu vực nghiên cứu trên Mapinfo

1 Tên tiểu lưu vực

8 Phần trăm diện tích không thấm

9 Hệ số nhám của bề mặt diện tích không thấm

10 Hệ số nhám của bề mặt diện tích thấm

11 Chiều sâu trữ của phần diện tích không thấm

12 Chiều sâu trữ của phần diện tích thấm

13 Mô hình thấm (Horton, Green Ampt)

Để thuận tiện trong việc quản lý và cập nhật, toàn bộ số liệu đầu vào được chuẩn bị trên nền MapInfo sau đó chuyển sang file đầu vào của chương trình EPA- SWMM bằng chương trình tự động

Giới thiệu sơ lược về chương trình tự động:

Chương trình tự động này được thành lập trên nền C++ được mã hóa thành nhiều mô dun khác nhau Mỗi một mô dun được tạo thành mục đích để chuyển các file định dạng của chương trình Mapinfo thành file định dạng input của chương trình Epa – SWMM

Chương trình tự động được tạo ra có 3 mô đun cơ bản là: Modul junction, modul conduit và modul subcathment Một điều kiện bắt buộc là các file trong chương trình Mapinfo phải có các trường dữ liệu giống các file đầu vào của chương trình Epa-SWMM thì chương trình tự động mới chạy được Vì vậy khi tạo các trường trên nền Mapinfo thì phải xem các file dữ liệu đầu vào của Epa-SWMM cho

cả 3 mođun : junction, conduit và subcathment Sau khi chương trình tự động chạy xong sẽ xuất ra các file dữ liệu dưới định dạng text sao cho phù hợp với file input của chương trình Epa-SWMM Các file sẽ được input lần lượt trên chương trình Epa – SWMM để tạo thành một file input đầy đủ của chương trình Epa – SWMM Sau đó tiếp tục hiệu chỉnh mô hình để tính toán thủy lực

Nội dung của các đoạn mã hóa được tóm lược như hình dưới đây: