(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp

(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp(Luận văn thạc sĩ file word) Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy ( lưu vực sông Tô Lịch Hà Nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Thủy lợi, Phòng Đàotạo đại học và sau đại học, Khoa Kỹ thuật quản lý tài nguyên nước và toàn thể cácthầy, cô giáo của nhà trường đã giúp đỡ tác giả trong quá trình làm Luận văn nàycũng như trong suốt thời gian học tập tại trường Đặc biệt, học tác giả xin bày tỏlòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Dương Thanh Lượng, người thầy trực tiếp hướngdẫn khoa học, đã hết lòng giúp đỡ, tận tình giảng giải cho tác giả trong suốt quátrình thực hiện luận văn này

Trong quá trình làm luận văn, tác giả đã có cơ hội học hỏi và tích lũy thêmđược nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu phục vụ cho công việc của mình Tuynhiên, do thời gian có hạn, trình độ còn hạn chế, số liệu và công tác xử lý số liệuvới khối lượng lớn nên những thiếu sót của Luận văn là không thể tránh khỏi Do

đó, tác giả rất mong tiếp tục nhận được sự chỉ bảo giúp đỡ của các thầy cô giáocũng như những ý kiến đóng góp của bạn bè và đồng nghiệp

Tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn tới các bạn trong lớp 21CTN21, cácanh, chị khóa trước đã động viên, đóng góp ý kiến và hỗ trợ trong suốt quá trìnhhọc tập và làm luận văn

Ngày 28 tháng 11 năm 2015

Tác giả

Nguyễn Quang Tuyến

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng, luận văn “Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận Cầu Giấy (Lưu vực sông Tô Lịch - Hà Nội)

và đề xuất các giải pháp cải tạo - nâng cấp” là công trình nghiên cứu khoa học

của riêng tôi Các số liệu là trung thực, kết quả nghiên cứu của luận văn này chưatừng được sử dụng trong bất cứ một luận văn nào khác mà đã bảo vệ trước

Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được cảm

ơn và các thông tin, tài liệu tham khảo đều được ghi rõ nguồn gốc trích dẫn

Ngày 28 tháng 11 năm 2015

Tác giả

Nguyễn Quang Tuyến

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Sơ lược về các phương pháp tiếp cận nghiên cứu thoát nước đô thị 3

1.1.1 Trên thế giới 3

1.1.2 Ở Việt Nam 5

1.2 Giới thiệu một số mô hình mô phỏng thoát nước đô thị 7

1.2.1 Mô hình SWMM 7

1.2.2 Mô hình Sobek 10

1.2.3 Mô hình Mike Urban 11

1.2.4 Mô hình StormNet 13

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO MÔ HÌNH TOÁN THỦY LỰC THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ 16

2.1 Cơ sở lý thuyết cho mô hình toán thủy lực 16

2.1.1 Mô hình thủy lực Mike Urban 16

2.1.2 Mô hình thủy lực SWMM 18

2.2 Lựa chọn mô hình toán mô phỏng mưa dòng chảy 23

2.3 Dữ liệu đầu vào mô hình mưa SWMM 25

2.3.1 Dữ liệu đầu vào 25

2.3.2 Hiện trạng tuyến cống 26

2.3.3 Cao độ san nền 28

2.3.4 Lượng mưa 29

CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC

LƯU VỰC SÔNG TÔ LỊCH TRÊN ĐỊA BÀN QUẬN CẦU GIẤY 31

3.1 Giới thiệu về lưu vực nghiên cứu thoát nước Quận Cầu Giấy 31

3.2 Hiện trạng thoát nước Quận Cầu Giấy (lưu vực sông Tô Lịch) 37

3.2.1 Hiện trạng hệ thống thoát nước 37

3.2.2 Hiện trạng hồ trong khu vực 38

3.2.3 Tình trạng ngập úng trong vùng 39

3.3 Thiết lập mô phỏng tính toán thoát nước 45

3.3.1 Tính toán, lựa chọn mô hình mưa thiết kế 45

3.3.2 Mô phỏng hiện trạng hệ thống bằng SWMM 50

3.3.3 Kết quả mô phỏng 53

3.4 Đánh giá khả năng làm việc của hệ thống 54

CHƯƠNG IV: ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN CẢI TẠO, NÂNG CẤP HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC QUẬN CẦU GIẤY 55

4.1 Đề xuất các phương án cải tạo, nâng cấp hệ thống thoát nước 55

4.1.1 Theo phương pháp cường độ giới hạn 55

4.1.2 Theo mô hình SWMM 62

4.2 Mô phỏng các phương án đề xuất 62

4.2.1 Phương án không có hồ điều hòa 62

4.2.2 Phương án có hồ điều hòa 63

4.2.3 Nhận xét chung 64

4.3 Đề xuất giải pháp quản lý điều hành hệ thống thoát nước 64

4.3.1 Dự báo úng ngập 65

4.3.2 Xây dựng kế hoạch thoát nước 65

4.3.3 Quan trắc và quản lý thông tin dữ liệu 66

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC 69

Phụ lục 1: Thống kê diện tích các tuyến cống 69

Phụ lục 2: Tính toán thủy lực các tuyến cống 76

Phụ lục 3: Kết quả tính toán theo phương pháp cường độ giới hạn 80

Phụ lục 4: Kết quả mô phỏng bằng mô hình SWMM 83

Phụ lục 5: Trắc dọc một số tuyến cống 120

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Sơ đồ minh họa mực nước ở các bước thời gian tiếp theo 18

Hình 2.2: Cao độ hiện trạng của khu vực nghiên cứu 29

Hình 3.1: Bản đồ giới hạn khu vực nghiên cứu 32

Hình 3.2: Các phương tiện ùn ứ trên đường Xuân Thủy 40

Hình 3.3: Mưa lớn gây ùn tắc giờ cao điểm 41

Hình 3.4: Mưa lớn gây ngập trong khuôn viên trường Đại học Quốc gia 41

Hình 3.5: Mưa lớn gây ùn tắc trên đường vành đai 3 42

Hình 3.6: Các công nhân túc trực tại điểm ngập 42

Hình 3.7: Mô hình mưa thiết kế trận mưa 3h max, tần suất 2 năm 48

Hình 3.8: Mô hình mưa thiết kế trận mưa 3h max, tần suất 10 năm 48

Hình 3.9: Mô hình mưa thiết kế trận mưa 24h max, tần suất 2 năm 49

Hình 3.10: Mô hình mưa thiết kế với trận mưa 24h max, tần suất 10% 49

Hình 3.11: Khai báo các thông số mặc định trong SWMM 51

Hình 3.12: Các thông số cơ bản trong SWMM 52

Hình 3.13: Sơ đồ mô phỏng khu vực nghiên cứu 52

Hình 3.14: Đường quan hệ về lượng nước của lưu vực ứng với trận mưa 24h max 54 Hình 4.1: Sơ họa chương trình tính toán thủy lực 58

Hình 4.2: Đường quan hệ lượng nướcphương án 1 63

Hình 4.3: Đường quan hệ lượng nướcphương án 2 64

Hình PL 4.1: Tương quan lượng nước đến tại nút D0 và F0 phương án 1 118

Hình PL 4.2: Quan hệ lượng nước đến và ngập tại nút B1 phương án 1 118

Hình PL 4.3: Tương quan lượng nước đến tại nút D0 và F0 phương án 2 119

Hình PL 4.4: Quan hệ lượng nước đến và ngập tại nút B1 phương án 2 119

Hình PL 5.1: Trắc dọc tuyến cống đường Hoàng Quốc Việt (đoạn 1) 120

Hình PL 5.2: Trắc dọc tuyến cống đường Hoàng Quốc Việt (đoạn 2) 120

Hình PL 5.3: Trắc dọc tuyến cống đường Trần Quốc Hoàn – Tô Hiệu 121

Hình PL 5.4: Trắc dọc tuyến cống đường Cầu Giấy 121

Hình PL 5.5: Trắc dọc tuyến cống đường Nguyễn Khánh Toàn 122

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Bảng thống kê các tuyến cống hiện trạng 26

Bảng 2.2: Bảng tổng hợp kích thước cống hiện trạng 28

Bảng 2.3: Thống kê lượng mưa tại trạm Láng 29

Bảng 3.1: Lượng mưa tương ứng với tần suất tính toán 46

Bảng 3.2: Giá trị các tham số của đường DDF 46

Bảng 3.3: Thống kê diện tích các tiểu khu 50

Bảng 3.4: Thống kê các nút ngập với trận mưa 24h max, tần suất 2 năm 53

Bảng 4.1: Hệ số dòng chảy 56

Bảng 4.2: Thống kê tuyến cống theo phương pháp cường độ giới hạn 59

Bảng 4.3: Tổng hợp chiều dài các tuyến cống làm lại theo phương pháp cường độ giới hạn 61

Bảng 4.4: Kết quả tính toán phương án không có hồ điều hòa 62

Bảng 4.5: Kết quả tính toán phương án hồ điều hòa 63

Bảng PL3.1: Bảng so sánh kết quả tính theo phương pháp cường độ giới hạn 80

Bảng PL3.2: Bảng tổng hợp khối lượng cống làm lại 82

Bảng PL4.1: Kết quả mô phỏng lưu vực thoát nước hiện trạng 83

Bảng PL4.2: Kết quả mô phỏng lưu vực thoát nước phương án 1 100

Bảng PL4.3: Kết quả mô phỏng lưu vực thoát nước phương án 2 109

MỞ ĐẦU

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Hệ thống thoát nước quận Cầu Giấy lưu vực sông Tô Lịch – Hà Nội là mộtphần quan trọng trong toàn bộ hệ thống thoát nước chung thành phố Hà Nội

Trong những năm gần đây do quá trình phát triển kinh tế - xã hội, tốc độ đô thịhoá nhanh, nhiều dự án lớn đã đang triển khai và sắp triển khai Nhiều khu đô thị,khu dân cư hình thành nhanh chóng kéo theo sự thay đổi về nhu cầu thoát nướctrong khu vực Các khu đô thị, khu dân cư mới hình thành làm thu hẹp đất sản xuấtnông nghiệp, san lấp nhiều ao hồ, đồng ruộng, làm giảm khả năng trữ nước, chônnước dẫn đến làm tăng hệ số tiêu nước

Mặt khác, tình hình thời tiết càng ngày càng diễn biến phức tạp khó dự đoán

Hệ thống thoát nước chung lâu năm đã xuống cấp, bị bồi lắng làm thu hẹp tiết diệnthoát nước dẫn đến phải thường xuyên duy trì nạo vétgây tốn kèm nhiều kinh phí,

do đó không thể đáp ứng được yêu cầu thoát nước hiện tại cũng như tương lai

Vì vậy việc nghiên cứu đánh giá cũng như mô phỏng, hệ thống thoát nướckhixét đến hồ điều hòa nhằm tạo các cơ sở khoa học để đề xuất các giải pháp cải tạo,nâng cấp hệ thống thoát nước quận Cầu Giấy lưu vực sông Tô Lịch – Hà Nội là hếtsức cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn

II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

- Mô phỏng, đánh giá thực trạng khả năng thoát nước của hệ thống thoát nướcquận Cầu Giấy(lưu vực sông Tô Lịch – Hà Nội) có xét đến hồ điều hòa

- Đề xuất các giải pháp cải tạo, nâng cấp hệ thống nhằm đáp ứng yêu cầu

thoát nước đô thị trong tương lai

III ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1 Đối tượng nghiên cứu

Khu vực quận Cầu Giấy (lưu vực sông Tô Lịch – Hà Nội)

2 Phạm vi nghiên cứu

Hệ thống thoát nước quận Cầu Giấy(lưu vực sông Tô Lịch - Hà Nội)

IV CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Tiếp cận các phương pháp nghiên cứu mới về thoát nước đô thị trên thế giới

2 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa

- Phương pháp kế thừa

- Phương pháp phân tích, thống kê

- Phương pháp mô hình toán

- Phương pháp mô hình thủy văn, thủy lực

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Sơ lược về các phương pháp tiếp cận nghiên cứu thoát nước đô thị

Gần đây Ngân hàng thế giới đã nghiên cứu và đưa ra cuốn cẩm nang

“Hướng dẫn quản lý tổng hợp rủi ro ngập lụt đô thị trong thế kỷ 21” Theo cẩm nang này, giải pháp hiệu quả nhất để quản lý nguy cơ lũ lụt là áp dụng phương pháptiếp cận tổng hợp, trong đó kết hợp cả hai biện pháp cấu trúc và phi cấu trúc, bao gồm xây dựng hệ thống kênh thoát nước và dẫnlũ; kết hợp “đô thị xanh” như đấtngập nước và vùng đệm môi trường; xây dựng hệ thống cảnh báo lũ lụt; quy hoạch

sử dụng đất để chống ngập lụt

Đại học Quốc gia Singapore (NUS) với ý tưởng nghiên cứu: áp dụng các bề mặtthẩm thấu cho những con đường nhỏ và vỉa hè nhằm ngăn chặn tình trạng lũ lụt cục

bộ tại đô thị bằng cách làm chậm lại dòng nướcđổ vào cống rãnh sau mưa

lớn.Những bề mặt thẩm thấu có một lớp bêtông rỗ và một lớp sỏi Khoảng 30-40% khoảng trống giữa lớp bê tông và sỏi này được dùng để tích nước, sau đó nước sẽ chảy qua một lớp vải thẩm thấu trước khi được xả qua những đường nhỏ đổ vào cống Toàn bộ quá trình này có thể giúp trữ số nước mưa đổ xuống trong vài giờ

Ngoài việc áp dụng những ý tưởng nghiên cứu trên thế giới chúng ta cũng nên

đi sâu tìm hiểu kinh nghiệm đối phó với ngập lụt ở các thành phố lớn trên thế giới từđây đúc rút ra được ý tưởng nghiên cứu phù hợp với đô thị ở Việt Nam như :

Ở Nhật Bản để phòng chống lụt lội, Nhật Bản đã xây dựng hệ thống cống ngầm dẫn nước lũ lớn nhất thế giới ở thành phố Saitama, gần Tokyo, vào năm 1992.Theo Weird Asia News, công trình bao gồm 5 giếngđứng bê tông lớn, cao 65 m, rộng 32 m, nối liền với nhau bằng hệ thống đường hầm dài 6,4 km, nằm sâu 50 mtính từ mặt đất Các kiến trúc sư cũng xây 59 cột bê tông cốt thép giúp chống đỡ trọng lượng trần nhà Nước lũ được hút vào các giếng và xả ra sông Eldo

Ở Anh thủ đô London rất dễ ngập lụt, đặc biệt khi những cơn bão mạnh khiếnnước sông Thames dâng cao Tuy nhiên, người dân London có thể yên tâm nhờcông trình đê chắn nước trên sông Thames mang tên Thames Barrier, bắt đầu đi vàohoạt động từ năm 1982 Skift đưa tin, công trình dài nửa kilomet, bao gồm 10 cổngthép cao bằng tòa nhà 5 tầng Theo Cơ quan Môi trường Anh, hệ thống ngăn lũ này

sẽ tồn tại đến năm 2070

Ở Hà Lan theo The Guardian, Hà Lan được coi là một trong những quốc gia điđầu về lĩnh vực phòng ngừa lũ lụt Không chỉ tạo ra những con kênh chằng chịt đểdẫn nước, chính phủ Hà Lan còn xây dựng hệ thống rào chắn ngăn lũ

Maeslantkering, bao gồm các đập nước di động vừa giúp ngăn lũ hiệu quả vừa không gây cản trở giao thông đường thủy

Hay ở quốc gia thuộc khu vực Đông Nam Á là Campuchia sau trận lũ lịch sử vào tháng 11/2011 khiến nhiều khu vực ở tỉnh Siem Reap bị ngập lụt nặng nề Dưới

sự chỉ đạo của Bộ Tài nguyên nước và Khí tượng Campuchia, chính quyền tỉnh đã xây dựng một đập nước ở đền thờ Ta Soum để ngăn lụt lội Đồng thời, người dân địa phương cũng được hướng dẫn xây móng nhà cao hơn, làm lại đường làng và dựng những con đập nhỏ.Sau này, dù phải hứng chịu nhiều đợt mưa lớn và liên tục,Siem Reap không còn bị ngập lụt, do nước mưa có thể thoát nhanh vào hồ TonleSap ở gần đó

Trên là một số giải pháp và kinh nghiệm thoát nước đang được nghiên cứu vàtriển khai trên thế giới, tất cả đều hướng đến việc xây dựng giải pháp thoát nướcbền vững(SUDS) Việc áp dụng các giải pháp thoát nước được xây dựng dựa trên

mô hình, cụ thể mô hình mô phỏng thoát nước đô thị Hiện trên thế giới, nghiên cứu

thoát nước đô thị đã có nhiều thành tựu và được phân theo các hướng như bán kinhnghiệm, thực nghiệm, mô hình.v.v Các mô hình mô phỏng thoát nước được đặt cơ

sở trên việc sơ đồ hóa một hay nhiều chiều Đây là những mô hình thủy lực, thủyvăn động lực học mô phỏng mưa dòng chảy, dự báo lũ, tối ưu hóa hệ thống thoátnước Mô phỏng thường được thực hiện trên cơ sởcủa chuyển động nước và bùn,phát tán và các quá trình hóa học

Trong lĩnh vực mô hình hóa, ngay từnhững năm 1930, các nhà khoa học đã cố gắng tìm hiểu mối quan hệ giữa yếu tố vật chất trong quá trình chuyển động đã thành công với những nghiên cứu của Bagnold, (1936, 1937) và sau đó được phát triển bởi Einstein (1950) Một trong những công trình nghiên cứu đầu tiên liên quanđến mô hình vận chuyển vật chất trong chất lỏng được Eistein và Chien xây dựngnăm 1955

Nhiều mô hình thương mại mô phỏng thoát nước trên cơ sở kết hợp giữa môhình thủy độnglực và mô hình vận chuyển và khuếch tán vật chất đã được xây dựng Các mô hình thoát nước hiện nay thường dùng bao gồm: Sobek, Mike

Urban,Stormnet,SWMM

1.1.2 Ở Việt Nam

Nước ta nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa ẩm ướt với lượng mưa trung bình

1000 - 2000 mm/năm Lượng mưa tập trung hầu hết vào các tháng mùa mưa vớicường độ mưa lớn và có sự biến động mạng theo không gian, nguyên nhân gây ra là

do bão, áp thấp nhiệt đới, dông…

Cũng như các đô thị khác trên thế giới, các đô thị ở Việt Nam phát triển mạnh, dân số tăng nhanh; đặc biệt là sau ngày đất nước thống nhất Nhu cầu về nhà

ở của các thành phố đã trở thành vấn đề lớn của xã hội Sự cơi nới, mở rộng tự phát,lấn chiếm đất đai, các hệ thống dẫn nước có nhiều đoạn bị thu hẹp, hồ ao bị san lấp Bên cạnh đó, hệ thống tiêu thoát nước đã được xây dựng từ lâu, nhiều đoạn không còn giá trị sử dụng, quản lý vận hành yếu, thiếu kinh phí tu bổ… làm chohiện tượng úng ngập thường xuyên xảy ra khi mùa mưa đến

Với nhiều thành tựu của công cuộc đổi mới, mạng lưới các đô thị của Việt Namđang ngày càng được phát triển mở rộng và thực sự trở thành động lực chính thúcđẩy phát triển kinh tế Cũng như các đô thị khác trên thế giới, sự phát triển đô thị tại Việt Nam cũng đang bộc lộ nhiều hạn chế và yếu kém về hạ tầng kỹthuật và ô nhiễm môi trường Nhiều công trình hạ tầng kỹ thuật nói chung đang ở tình trạng xuống cấp, việc đầu tư xây dựng mới còn chậm và chưa đáp ứng nhu cầu.

Hệ thống thoát nước của các đô thị tại Việt Nam thường chung cho tất cả các loại nước thải, nước mưa, hệ thống này hầu hết được xây dựng qua nhiều thời kỳ khácnhau, chất lượng quy hoạch còn chưa cao, chưa hoàn chỉnh, thiếu đồng bộ trong đó

có nhiều tuyến cống xuống cấp nên khả năng tiêu thoát nước thấp Nước thải hầunhư chưa được xử lý xả thẳng vào nguồn tiếp nhận

Trong những năm gần đây đặc biệt là các đô thị lớn như Hà Nội, thành phố

Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Cần Thơ… người dân luôn phải đối mặt với tình trạngúng ngập khi gặp những trận mưa lớn, hoặc nước thuỷ triều dâng

Ở Việt Nam, đến nay đã có một số nghiên cứu tính toán cho thoát nước đô thị

sử dụng các mô hình mô phỏng thoát nước như:

- Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu cải tạo và mở rộng hệ thống thoát nước

thành phố Hội An đến năm 2020” của tác giả Huỳnh Viết Bi - Kiểm tra kết quả tính

toán thoát nước mưa bằng mô hình thủy lực SWMM

- Luận văn “Nghiên cứu cải tạo quy hoạch hệ thống thoát nước khu dân cư

khuê trung, thành phố Đà Nẵng” của tác giả Nguyễn Thiện - Tính toán dòng chảy

trong đô thị, môhình quản lý nước mưa bằng SWMM

- Đồ án “Quy hoạch khu dân cư Phước Mỹ Trung đến năm 2020” có áp dụng

mô hình kết hợp mô hình Autocad civil 3D - Stormnet để thiết kế tính toán và quản

lý mạng lưới thoát nước mưa

- Hay việc sử dụng mô hình SOBEKđã được ứng dụng trong các nghiên cứu thuộc các lưu vực sông ở Hà Lan, Bangladet, Australia… và mới đây (năm 2003) SOBEK đã được áp dụng cho hai khu vực Trà Bồng và Trà Khúc (thuộc tỉnh QuảngNgãi)

1.2 Giới thiệu một số mô hình mô phỏng thoát nước đô thị

1.2.1 Mô hình SWMM

Mô hình quản lý nước mặt SWMM của Epa là mô hình động lực học dòng chảy mặt do nước mưa tạo nên, dùng để mô phỏng dòng chảy một thời đoạn hoặc dòng chảy nhiều thời đoạn (thời gian dài) cả về lượng và chất SWMM chủ yếu được dùng cho các đô thị.Thành phần Runoffcủa SWMM đề cập đến một tổ hợp các tiểu lưu vực nhận lượng mưa (kể cả tuyết), tạo thành dòng chảy và vận chuyển chất ô nhiễm Phần mô phỏng dòng chảy tuyến của SWMM đề cập đến sự vận chuyển dòng chảy nước mặt qua một hệ thống các ống, các kênh, các công trình trữ hoặc điều tiết nước, các máy bơm và các công trình điều chỉnh nước.SWMM xem xét khối lượng và chất lượng của nước trong mỗi đường ống và kênh dẫn trong suốt thời gian mô phỏng bao gồm nhiều bước thời gian

SWMM ra đời bắt đầu từ năm 1971 và đến nay đã trải qua một số lần nâng cấp lớn, SWMM luôn luôn được sử dụng rộng rãi khắp thế giới cho các công tác quy hoạch, phân tích và thiết kế liên quan đến dòng chảy do nước mưa, bao gồm mạng lưới thoát nước mưa, mạng lưới thoát nước thải và các hệ thống tiêu nước khác trong các vùng đô thị, trong đó cũng có thể bao gồm cả những diện tích không phải

là đất đô thị Chạy dưới WinDows, SWMM 5 tạo ra một môi trường hòa hợp cho việc soạn thảo số liệu đầu vòa của vùng nghiên cứu, chạy các mô hình thủy lực và chất lượng nước, xem kết quả ởnhiều dạng khác nhau Có thể quan sát bản đồ vùng tiêu và hệ thống đưỡng dẫn theo mã màu, xem các dãy số theo thời gian, các bảng biểu, hình vẽ mặt cắt dọc tuyến dẫn nước và các phân tích xác suất thống kê

Phiên bàn mới nhất của SWMM được xuất trình bởi phòng Cấp thoát nước,tàinguyên nước và Viện nghiên cứu quản lý rủi ro quốc gia, Cục bảo vệ môi trườngHoa Kỳ,với sự giúp đỡ từ công ty tư vấn CMD Inc

Mô hình SWMM mô phỏng các dạng mưa thực tế trên cơ sở lượng mưa (biểu

đồ quá trình mưa hàng năm) và các số liệu khí tượng đầu vào khác cùng với hệthống mô tả (lưu vực, vận chuyển, hồ chứa / xử lý) để dự đoán các trị số chất lượng

và khối lượng dòng chảy

Hình 1.1: Các khối xử lý chính trong mô hình SWMM

Các modun của mô hình:

Khối “dòng chảy” (Runoff block) tính toán dòng chảy mặt và ngầm dựa trênbiểu đồ quá trình mưa (và/hoặc tuyết tan) hàng năm, điều kiện ban đầu về sử dụngđất và địa hình

Khối “truyền tải” (Transport block) tính toán truyền tải vật chất trong hệ thốngnước thải

Khối “chảy trong hệ thống” (Extran block) diễn toán thủy lực dòng chảy phứctạp trong cống, kênh…

Khối “Trữ/xử lý“ (Strorage/Treatment block) biểu thị các công trình tích nướcnhư ao hồ…và các công trình xử lý nước thải, đồng thời mô tả ảnh hưởng của các thiết bị điều khiển dựa trên lưu lượng và chất lượng - các ước toán chi phí cơ bản cũng được thực hiện

Khối “nhận nước” (Receiving block) Môi trường tiếp nhận.

Mục đích ứng dụng mô hình toán SWMM cho hệ thống thoát nước được triển khai nhằm:

- Xác định các khu vực cần xây mới hoặc mở rộng cống thoát nước để giảmtình trạng ngập lụt đường phố hoặc cung cấp dịch vụ thoát nước thải cho những khuvực mới phát triển

- Ước tính lưu lượng nước lũ trong kênh và các chi lưu để xác định vị trí củakênh cần cải thiện nhằm giảm thiểu tình trạng tràn bờ

- Cung cấp công cụ quy hoạch để đánh giá việc thực hiện các cống chắndòng dọc kênh

Những ứng dụng điển hình của SWMM:

- Thiết kế và bố trí các thành phần của hệ thống tiêu để kiểm soát lũ

- Bố trí các công trình trữ nước(điều hòa nước) và các thiết bị của chúng đểkiểm soát lũ và bảo vệ chất lượng nước

- Lập bản đố ngập lụt của các hệ thống kênh tự nhiên

- Vạch ra các phương án làm giảm hiện tượng chảy tràn của mạng lưới thoátnước hỗn hợp

- Đánh giá tác động của dòng chảy tràn vào và dòng thấm lên sự chảy tràncủa hệ thống thoát nước thải

- Tạo ra hiệu ứng của BMP để làm giảm sự tải chất ô nhiễm khi trời mưa

Ưu nhược điểm SWMM:

 Ưu điểm:

- SWMM có thể tính toán được nhiều quá trình và mô phỏng thủy lực linh hoạt

- Chương trình nhẹ, miễn phí ít tốn tài nguyên máy, giao diện thân thiện dễ

sử dụng với người dùng

- Kết quả mô phỏng tương đối chính xác, đã được kiểm định trong thực tế

- Đây là phần mềm miễn phí, có thể download trực tiếp trên mạng

- Lượng người sử dụng đông, thuận lợi trong quá trình xây dựng cơ sở dữliệu và trao đổi thông tin với nhau.

Bộ mô hình 1D/2D Sobek là một bộ mô hình mạnh mẽ để dự báo lũ, tối ưu hóa

hệ thống thoát nước, điều khiển hệ thống dẫn nước, thiết kế cống thoát nước cho dòng nước lũ, hình thái sông, ngập mặn và chất lượng nước mặt.Để hỗ trợ các nhà chức trách, các hãng nghiên cứu và các trường đại học trên toàn thế giới, Deltares đưa ra một bộ mô hình tích hợp sẵn gọi là Sobek.Đây là bộ mô hình mạnh mẽ để dựbáo lũ, tối ưu hóa hệ thống thoát nước, điều khiển hệ thống dẫn nước, thiết kế cốngthoát nước cho dòng nước lũ, hình thái sông, xâm nhập mặn và chất lượng nước mặt Sobekcó thể mô phỏng tất cả các vấn đề quản lý trong khu vực sông và hệ thống cửa sông, hệ thống dẫn nước và thoát nước, hệ thống nước thải và nước mưa

Khả năng của chương trình:

Mô hình cho phép bạn mô phỏng sự tương tác của nước và các quá trình nước

có liên quan trong thời gian và không gian Bộ phần mềm hầu như đã sử dụng để

mô hình hóa hệ thống nước tích hợp quản lý nước, thiết kế, lên kế hoạch và hoạchđịnh chính sách Sobek bao gồm một số chương trình thử nghiệm và đã xác nhận,được liên kết và tích hơp với nhau

Ưu nhược điểm Sobek:

 Ưu điểm:

- Sobek được thiết kế tích hợp với giao diện GIS Kết quả tính toán được xuất

ra ngay dưới dạng bản đồ ngập lụt hoặc phân bố trường vận tốc

- Phần mềm có khả năng cho phép mô phỏng hệ thống theo thời gian thực (Real Time Control - RTC) dựa các các số liệu, đo đạc quan trắc trên hệ thống và được cập liên tục giúp quản lý, giám sát vận hành các công trìnhkhai thác hệ thống Tài nguyên nước một cách tốt nhất.

- Gồm nhiều modul đơn lẻ, đáp ứng cho các yêu cầu khác nhau trong tínhtoán

- Với bài toán lớn, phức tạp phần mềm mất nhiều thời gian xử lý

- Đây là phần mềm thương mại, khó download Ở Việt Nam được tiếp cận được phần mềm thường là thông qua việc hỗ trợ thực hiện các dự án do phía

Hà Lan tài trợ

- Giao diện chưa thân thiện, với người sử dụng lần đầu sẽ gặp nhiều khó khăn

- Việc nhập dữ liệu đầu vào chưa được tối ưu, với bài toán có nhiều mặt cắt sẽ khó khăn trong trong việc nhập Với mạng lưới lớn, việc di chuyển đến các

vị trí khác nhau gặp nhiều khó khăn

1.2.3 Mô hình Mike Urban

Mike Urban là phần mềm lập mô hình cấp thoát nước đô thị, khả dụng, độ linhhoạt cao, tính mở, được tích hợp với hệ thống GIS, sử dụng mô hình tính toán hiệuquả ổn định và tin cậy về khoa học Mike Urban có thể tính toán và mô phỏng toàn

bộ mạng lưới nước trong thành phố bao gồm hệ thống cấp nước, hệ thống thoátnước mưa và nước thải trong một hệ thống thoát thải gộp hoặc riêng biệt Một sốứng dụng điển hình của phần mềm Mike Urban:

Lập mô hình Hệ thống thoát nước:

- Lập mô hình hệ thống thoát nước thải và nước mưa

- Quản lý hệ thống nước thải

- Lập kế hoạch tổng thể thoát nước

- Dự báo ngập lụt cục bộ (vị trí ngập và mức độ ngập)

- Phân tích hệ thống thoát thải gộp (SCOs) và hệ thống riêng biệt (SSOs)

- Đánh giá khả năng chịu tải của hệ thống cống và những điểm bị tắc nghẽn

- Ước tính lượng vận chuyển bùn cát và bồi lắng trong hệ thống cống

- Phân tích chất lượng nước và các vấn đề bùn cát

- Tối ưu hoá và thiết kế các giải pháp vận hành theo thời gian thực (Real-TimeControl Solution)

- Lập mô hình theo thời gian thực (RTC Model) nhúng trong các giải pháp vậnhành theo thời gian thực (RTC Solution)

Lập mô hình Hệ thống cấp nước:

- Quản lý áp lực nước và áp lực khu vực

- Ước tính nhu cầu nước tại nút cấp

- Phân tích lưu lượng dòng chảy và áp lực trong đường ống dành cho cứu hoả

- Dự báo tuổi của nước và hàm lượng clo trong ống

- Dự báo sự lan truyền và xác định vị trí của các chất ô nhiễm có trong nước

- Lập kế hoạch dự phòng và đánh giá rủi ro

- Lập quy mô và tính toán kích thước hồ chứa, bể chứa

Các modun của mô hình:

Hệ thống thoát nước dựa trên 2 lõi tính toán lập mô hình là MOUSE-HD vàSWMM5 Gồm có các Module con:

- CS – PipeFlow: Mô phỏng dòng chảy không ổn định trong ống và kênh dẫn

- CS – Control: Được xem là có khả năng vận hành giám sát theo thời gianthực các đập tràn, cửa xả, máy bơm…Nó cho phép mô tả hoạt động của cácthiết bị điều khiển và đưa ra lô gic rõ ràng về cách thức vận hành của thiết bịđiều khiển

- CS – Rainfall-Runoff: Mô phỏng lượng mưa – dòng chảy theo thời giantrong khu vực, theo sóng động lực, hồ chứa tuyến tính…

- CS – Pollution Transport: Mô phỏng sự lan truyền và khuếch tán các chất ônhiễm trong đó có cả bùn cát Bao gồm cả lập mô hình chất lượng nước khilập mô hình lan truyền các chất ô nhiễm từ nước mặt xuống hệ thống thải

- CS – Biological Processes: Mô phỏng chất hoá học và tiến trình sinh học của

hệ thống bị ô nhiễm hoặc hệ thống gộp

Ưu nhược điểm Mike Urban:

+ Ưu điểm:

- Là phần mềm thương mại nên phần giao diện rất mạnh, hữu hiệu

- Phần kết nối với công cụ GIS rất mạnh kể cả tạo database (mặc dù phải cầnthêm các phần mềm GIS như Arc View, ArcGis,…)

- Các tiện ích đầy đủ, dễ cho người sử dụng

- Thuận tiện cho việc giải quyết các bài toán vừa và nhỏ

+ Nhược điểm:

- Không biết được phần lõi (phần thuật toán, tổ chức chương trình,…) nên người sử dụng không thể cải biên, cập nhật mà phải qua nơi bán, khi đó phảitrả thêm tiền và mất thời gian chờ đợi

- Khi phải tính các bài toán lớn thì đòi hỏi nhiều thời gian tính trên máy, không thuận tiện cho giai đoạn chạy và hiệu chỉnh vì phải chạy rất nhiều lầnmới hiệu chỉnh được một tham số nên tốn nhiều thời gian

- Độ chính xác của kết quả tính, đặc biệt cho các bài toán lan truyền chất nhiều khi không đảm bảo do bản chất thuật toán được sử dụng (khuếch tán số dẫnđến nồng độ âm hoặc nồng độ sát biên lớn hơn biên khi không có nguồntrong miền)

- Các phiên bản sau hiện đại hơn các phiên bản trước nhưng chưa có sự hỗ trợ cho các phiên bản cũ để đọc được kết quả của phiên bản cao hơn Mỗi lần cài đặt phiên bản mới kéo theo rất nhiều chương trình phải cài đặt lại

- Vì là phần mềm thương mại nên giá thành rất đắt

1.2.4 Mô hình StormNet

StormNeT là một mô hình thủy lực, thủy văn động lực học hoàn toàn đầy đủ để

có thể phân tích cho cả hệ thống thoát nước mưa đơn giản và hệthống thoát nướcmưa phức tạp StormNeT có thể sử dụng cho:

- Hệ thống tiêu thoát nước trên đường giao thông (gồm các cửa thu ở bó vỉa

và rãnh thoát nước mưa)

- Mạng lưới thoát nước mưa, nước thải và kết hợp với hồ điều hòa

- Thiết kế thoát nước phân vùng

- Tự động hóa quá trình xác định kích thước và thiết kế hồ điều hòa và cáccông trình xả nước

- Mô phỏng cầu qua sông, cống qua đường, bao gồm cả sự chảy tràn trên mặtđường

- Phân tích chất lượng nước

- Hệ thống thu gom nước thải sinh hoạt, trạm bơm nâng nước, CSO (hệ thốngthoát nước chung) và SSO(hệ thống thoát nước riêng).StormNeT là mô hìnhduy nhất kết hợp các mô hình thủy lực, thủy văn phức tạp với nhau vànghiêncứu chất lượng nước trong giao diện đồ họa thân thiện dễ sử dụng Cung cấpcho cả hệ SIvà hệ US

Các tính năng của mô hình

- Tích hợp với Autocad Land Desktop và Civil 3D, hoặc hoạt động trực tiếptrong Civil 3D

- Hướng dẫn bạn thông qua quá trình định cỡ và thiết kếmột ao tù

- Phân tíchhệ thống thoát nước mưa đơn giản và phức tạp

- Mô hình chất lượng nước

- Kết hợp với dữ liệu GIS đểmô phỏng hệ thống thoát nước

Ưu nhược điểm StormNet:

- StormNET là mô hình duy nhất mà kết hợp thủy học, thủy lực học và chấtlượng nước phức tạp trong một giao diện hoàn toàn đồ thị, dễ sử dụng.

- Phần mềm có thể vừa làm quy hoạch cải tạo, quy hoạch mới, làm quy hoạchtổng thể đến quy hoạch chi tiết

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO MÔ HÌNH TOÁNTHỦY LỰC

THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ

2.1 Cơ sở lý thuyết cho mô hình toán thủy lực

2.1.1 Mô hình thủy lực Mike Urban

Mike Urban là một công cụ mạnh mẽ để thành lập mô hình tính toán thủy lựcdòng chảy cho ngành cấp thoát nước Đây là một công cụ rất dễ sử dụng, mang tínhtrực quan hơn nhiều nếu so với các công cụ miễn phí như Epanet, Us-Epa Ngoài ra

nó có khả năng tích hợp hoàn toàn với các hệ thống Gis, quản lý tài sản khác nhưArcGis, wams, wwms Các mô hình thủy lực trong Mike Urban được nghiên cứubởi đội ngũ các chuyên gia giàu kinh nghiệm của DHI

Mike Urban gồm 3 module chính: Mike Urban Model Manager, CollectionSystem (CS) module, Water Distribution modules

Mike Urban Model Manager: Là mô hình quản lý trong môi trường nước bao

gồm một chuỗi các gói dữ liệu quản lý, trong đó có hai mô hình chương trìnhchunglàSwwm5 và Epanet, được phát triển bởi Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ

Collection System (CS) module:Bao gồm mô phỏng ống dòng chảy, mô phỏng

lượng mưa chảy tràn, mô phỏng điều khiển thời gian, mô phỏng vận chuyển chấtgây ô nhiễm, mô phỏng quá trình sinh học

Water Distribution modules:Bbao gồm hiệu chỉnh tự động của các mô hình

mạng phân phối nước, công cụ chữa cháy chảy để phân tích năng lực của hệ thốngphân phối nước, kiểm soát lựa chọn mô phỏng cho mô phỏng thời gian dài, môphỏng dòng chảy tạm thời của hệ thống có áp

Cấu trúc tổng thể của mô hình Mike Urban

Mike Urban là mô hình thể hiện rõ nhất phân phối thủy động lực học trongthoát nước đô thị, là mô hình chi tiết nhất và sẵn có cho các hệ thống thoát nước đôthị Được chia ra hai thành phần chính: module bề mặt và mô hình thủy động lựchọc Các module chuyển đổi bề mặt số liệu mưa thành dòng vào hệ thống đườngống cho từng tiểu lưu vực trong hệ thống, trong khi mô hình thủy động lực học tính

toán dòng chảy trong hệ thống đường ống bằng cách sử dụng dòng chảy từ các module trên bề mặt Ở đây ta chỉ xét mô hình thủy động lực học trong thoát nước đôthị, điển hình là mô hình Mouse thủy động lực học (HD)

Các kỹ thuật tính toán áp dụng trong Mouse thủy động lực (HD) sử dụnghệphương trình Saint-Venant(gồm 2 phương trình đạo hàm riêng là phương trình liêntục và phương trình động lượng, mô tả sự biến thiên lưu lượng Q và mức nước Hhoặc các thống số tương đương theo không gian và thời gian).Sử dụng một thuậttoán quét đôi, mà giải quyết được hai bộ phương trình được thiết lập bằng cách sửdụng một "chi nhánh " và một " tiếp điểm " ma trận [23,24] Các "chi nhánh " matrận được áp dụng để tính toán dòng chảy và mực nước trong ống tại các nút ở cuốimỗi đường ống, trong khi các " nút " ma trận được sử dụng để tính toán mực nướctrong nút ở các bước thời gian mới

Phương trình (1) đưa ra giá trị xấp xỉ sai phân hữu hạn của các phương trình liêntục tại một nút:

qin: tổng của lưu lượng vào

qout: Tổng lưu lượng ra

Δt: bước thời gian

H:mực nước

ACR: diện tích mặt cắt ướt

n và n + 1: các bước thời gian hiện tại và tiếp theo

n - ½ và n + ½: các bước thời gian trung gian

Hình 2.1: Sơ đồ minh họa mực nước ở các bước thời gian tiếp theo

Từ hình trên ta thấy nước sau điều chỉnh sẽ có mức nước mới được tính toándựa trên một cảm biến được đặt ngay tại nút Tại mức Hn + 1 ta có thêm giá trịQcorrection:Lưu lượng điều chỉnh

Mô hình vừa có thể mô phỏng cho từng sự kiện (từng trận mưa đơn lẻ), vừacóthể mô phỏng liêntục

a Các thuật toán trong SWMM

Phần mền SWMM này gồm 2 modun chính đó là:

 ModunRunofftrongSWMMlàmoduntínhdòngchảytừmưa,cácchấtônhiễmtrên các lưu vực

 ModunTransporttrongSWMMdiễntoándòngchảytrên/tronghệthốngcácđường ống,kênhdẫn,cáchồđiềuhòa,trạmbơm,trạmxửlýcủahệthốngtiêuthoát nước đô thị.

SWMMchophéptínhtoándòngchảycảvềchấtvàlượngtrongtừnglưuvựccon,tốcđộc hảy,chiềusâuchảy,chấtlượngnướctrongtừngđoạnốngcống,kênhdẫntrongquá trình mô phỏng bao gồm nhiều bước thờigian

b Tính toán lượng mưa hiệu quả.

Việctínhtoánlượngmưahiệuquảđượcthựchiệnbằngphươngphápkhấutrừtổn thất dothấm, điền trũng, bốc hơi từ bề mặt đất, điền trũng, và dothấm

PEF (t) = N (t) – VP (t) – F (t) – W(t) (3)Trongđó:

thể được tính theo phương phápsau:

Phương pháp cân bằng nănglượng:

c Tính toán thấm, lượng thấm

Thấmlàquátrìnhcótínhquyếtđịnhvớivaitròlàđạilượngvàochohệthốngđấtthoángkhí.Ýnghĩaquantrọngcủaquátrìnhthấmtrongcácquátrìnhđộnglựccủaquátrìnhtraođổinướctrongđấtlàphânchialượngmưathànhnướcbềmặtvànướctrongđấtdoảnhhưởngđếnquátrìnhthủyvăn,đặcbiệtsựhìnhthànhdòngchảytrênlưuvực.Đểtínhtoándòngchảyđạtđộchínhxácvàphùhợpvớicácquyluậtvậtlý,đãcónhiềumôhìnhthấmđượcxâydựng.TrongmôhìnhSWMMcó2phươngphápđể lựachọn:

 PhươngphápmôhìnhthấmHORTON(1940):làmôhìnhthấm1giaiđoạn.Hortonn

hậnxétrằngquátrìnhthấmbắtđầutừmộttốcđộthấmf0khôngđổinàođó,sauđógiảmdầntheoquanhệsốmũchođếnkhiđạttớimộtgiátrịkhôngđổif∞.MôhìnhthấmHorto nđượcápdụngchođểtínhchotrậnmưa1đỉnh và dạng đường cong mưa biến đổikhônglớn

fp  f0

(f0 f )ekt

(5)

 PhươngphápmôhìnhthấmGreen-

Ampt(1911):xâydựngdựatrênphươngtrìnhthấmDarcy.Mein-

Lason(1973)đãcảitiếnphươngphápnàyđểtínhtoánquátrìnhthấmtheohaigiaiđoạn:giaiđ oạnbãohoàvàgiaiđoạnsaubãohoà.Tronggiaiđoạnbãohòa,đườngcongcườngđộthấmlàđ ườngquátrìnhmưathựcdolượngmưatronggiaiđọannàychỉthamgiavàoquátrìnhthấm.Tr onggiaiđoạnsaubãohòa,lớpđấtbềmặtđãbãohòanước,đườngcongthấmgiảm theo quyluật thấm trọnglực

Phương trình thấm Green-Ampt được viết dướidạng:

i

1 Ks

i=365 Ngày 31 tháng 10 nămsau.

VP: Lượng bốc hơi ngày thứi

Lượngtrữbềmặtrấtkhóxácđịnhdotínhphứctạpcủalưuvựcđôthị,dovậythành phầnnày thường được đánh giá qua điều tra và sau đó hiệu chỉnh qua mô hình

V: Thể tích nước trên bề mặt lưuvực.

d : Chiều sâu lớp dòng chảymặt.

t : Thờigian.

A: Diện tích lưu vực bộphận.

i*: Cường độ mưa hiệu quả= cường độ mưa rơi trừ đi tổn thấtvàbốc hơi bềmặt Q: Lưu lượng dòng chảy ra khỏi lưu vực đangxét.

- Phương trình độnglực: Phương trình Manning:

2.2 Lựa chọn mô hình toán mô phỏng mưa dòng chảy

Trong các mô hình toán mô phỏng thoát nước đô thị được giới thiệu ở trên đều

có những ưu nhược điểm nhưng tựu chung lại thì đều mô phỏng rất tốt hiện trạng thoát nước đô thị.Có một số mô hình nhu nhập vào Việt Nam có tính chất thươngmại (mua trực tiếp hoặc tính thành tiền thông qua các dự án song phương hoặc đa phương ) như mô hình Mike hay các mô hình phi thương mại (nghĩa là Việt Namchưa phải mua mà có được thông qua các công đường khác nhau như dự án hỗ trợ song phương hoặc đào tạo) như mô hình Sobek, StormNet các mô hình đều sử dụng lược đồ sai phân để giải phương trình lan truyền chất 1 chiều nên kết quả tínhvẫn bị ảnh hưởng bởi hiện tượng khuếch tán số

Trong luận văn này để mô phỏng hệ thống thoát nước cho vùng nghiên cứu tôi lựa chọn mô hình toán thủy lực.Công cụ mô phỏng cho mô hình là phần mềm SWMM Đây là phần mềm được cung cấp miễn phí nhưng lại có tất cả tính năng mềm dẻo của một mô hình thủy lực dùng để diễn toán dòng chảy, nhập lưu trong cống, kênh, hồ, trạm xử lý vv rất thích hợp cho việc tính toán nước đô thị đồng thời cũng mô phỏng tương đối chính xác các vùng nông thôn

Mô hình SWMM là một mô hình toán học toàn diện, dùng để mô phỏng khốilượng và tính chất dòng chảy đô thị do mưa và hệ thống cống thoát nước thảichung.Mọi vấn đề về thủy văn đô thị và chu kỳ chất lượng đều được mô phỏng, bao

gồm dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm, vận chuyển qua mạng lưới hệ thống tiêuthoát nước, hồ chứa và khu xử lý.

SWMM tính toán được nhiều quá trình thủy lực khác nhau tạo thành dòng chảybao gồm:

- Lượng mưa biến đổi theo thời gian

- Bốc hơi trên mặt nước tĩnh

- Sự tích tụ và tan tuyết

- Sự cản nước mưa tại các chỗ đĩa hình lõm có khả năng chứa nước

- Ngấm của nước mưa xuống các lớp đấtchưa bão hòa

- Thấm của lớp ngầm xuống các tầng nước ngầm

- Sự trao đổi giữa tầng nước ngầm và hệ thống tiêu

- Chuyển động tuyến của dòng chảy trên mặt đất và ở các hồ chứa phi tuyến.Tính biến thiên theo không gian trong tất cả các quá trình này có thể đạt đượcthông qua việc phân chia vùng nghiên cứu thành một tập hợp các vùng nhỏ hơn, cáctiểu lưu vực đồng nhất mà mỗi tiểu lưu vực đó chứa các tiểu diện tích thấm và tiểudiện tích không thấm Dòng chảy tràn trên mặt đất có thể đi theo một tuyến giữa cáctiểu diện tích, giữa các tiểu lưu vực, hoặc giữa các điểm vào của hệ thống tiêu.SWMM cũng chứa đựng một tập hợp các khả năng mô phỏng linh hoạt về thủylực dòng chảy theo tuyến thông qua một hệ thống tiêu nước gồm nhiều thành phần:Các đường ống, các kênh, các công trình chứa nước và xử lý nước, các công trìnhphân dòng Các thành phần này có thể là:

- Mạng điều khiển với quy mô không hạn chế

- Các đường dẫn nước với nhiều dạng mặt cắt khác nhau, có thể là kín hoặc hở,

có thể là mặt cắt tiêu chuẩn hoặc phi tiêu chuẩn ở dạng tự nhiên

- Mô hình các phần tử đặc biệt như: Công trình trữ nước hoặc xử lý nước, côngtrình phân dòng, máy bơm, đập tràn và cống

- Các dòng chảy từ bên ngoài vào và các điểm nhập chất lượng nước từ dòngchảy mặt, dòng chảy ngầm hòa trộn vào, dòng thấm hoặc dòng chảy vào phụ thuộc

mưa,dòng chảy nước thải (còn gọi là dòng chảy khi trời khô), và dòng chảy vào dongười sử dụng xác định.

- Áp dụng phương pháp tính dòng chảy tuyến theo sóng động học hoặc theo sóngđộng lực học

- Mô hình các chế độ dòng chảy khác nhau như: nước đọng, nước ngập tràn,dòng chảy ngược, sự hình thành vũng ngập trên mặt đất

- Các quy tắc điều khiển do người sử dụng định ra để mô phỏng hoạt động củamáy bơm, cánh cửa van của ống, cao độ ngưỡng tràn

Ngoài việc mô hình sự hình thành và vận chuyển dòng chảy mặt, SWMM còn

có khả năng tính toán được sự vận chuyển chất ô nhiễm có liên hệ với dòngchảymặt Các quá trình sau đây có thể được mô hình hóa cho một số phần tử chấtlượng nước do người sử dụng xác định:

- Sự tích tụ chất ô nhiễm khi trời khô trên khắp các loại đất dùng khác nhau

- Sự rửa trôi chất ô nhiễm từ các loại đất dùng riêng biệt trong suốt trận mưa

- Đóng góp trực tiếp của sự lượng mưa rơi

- Suy giảm sự tích tụ chất ô nhiễm khi trời khô do hoạt động quét rửa đường phố

- Suy giảm sự vận tải chất rửa trôi do hoạt động BMP(quản lý thực hành tốtnhất)

- Sự xâm nhập của dòng chảy vệ sinh khi trời khô và dòng chảy từ bên ngoàichảy vào do người sử dụng chỉ định tại điểm nào đó tronghệ thống tiêu

- Chuyển động theo tuyến của các phần tử chất lượng nước trên khắp hệ thốngtiêu

- Suy giảm nồng độ chất qua quá trính xử lý trong các công trình trữ nước hoặcbởi các quá trình tựnhiên trong các đường ống và đường kênh

2.3 Dữ liệu đầu vào mô hình mưa SWMM

2.3.1 Dữ liệu đầu vào

Các dữ liệu cần thiết cho mô hình mưa dòng chảySWMM mô phỏng hệ thốngthoát nước bao gồm:

- Các dữ liệu về hệ thống thoát nước hiện trạng, các công trình hiện có trongkhu vực nghiên cứu, các hồ điều hòa…

- Các dữ liệu về địa hình, địa chất, cao độ san nền, cao độ hiện trạng của các

Bảng 2.1: Bảng thống kê các tuyến cống hiện trạng

Kích thước (mm) Chiều dài (m)

Tên đường Hiện trạng Ghi chú

Kích thước (mm) Chiều dài (m)

Hình 2.2: Cao độ hiện trạng của khu vực nghiên cứu

2.3.4 Lượng mưa

Khu vực nghiên cứu liền kề với trạm đo mưa Láng, do vậy ta có thể sử dụng sốliệu đo mưa ở trạm Láng để tính toán cho mô hình mưa dòng chảy SWMM Số liệu

đo mưa được thu thập trong 20 năm từ 1985 đến 2004

Bảng 2.3: Thống kê lượng mưa tại trạm Láng

Năm Lượng mưa (mm)

CHƯƠNG III:MÔ PHỎNG HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC LƯU VỰC SÔNG TÔ LỊCH TRÊN ĐỊA BÀN QUẬN CẦU GIẤY

3.1 Giới thiệu về lưu vực nghiên cứu thoát nước Quận Cầu Giấy

3.1.1 Điều kiện tự nhiên

3.1.1.1 Vị trí địa lý

Quận Cầu Giấy là một bộ phận hợp thành của Thủ đô Hà Nội Đây là quận mới thành lập ngày 01 tháng 09 năm 1997, bao gồm 4 thị trấn Nghĩa Tân, Nghĩa Đô, Mai Dịch, Cầu Giấy và 3 xã Trung Hoà, Yên Hoà, và Dịch Vọng của huyện TừLiêm cũ Diện tích đất tự nhiên của quận là 1.204,0548 ha với dân số 127.700 người(theo kết quả tổng điều tra dân số quận đến ngày 31/12/1999) Phía Bắc giáp quận Tây Hồ, phía Nam giáp quận Đống Đa, phía Đông giáp quận Ba Đình và phía Tây giáp thị trấn Cầu Diễn huyện Từ Liêm

Quận nằm ở cửa ngõ phía Tây, một trong những khu phát triển chính của Thànhphố Hà Nội, cách trung tâm Thành phố chừng 6 km Trong quận có dòng sông TôLịch chạy dọc theo chiều dài phía đông của quận, có các trục đường giao thông vành đai nối thủ đô Hà Nội với sân bay quốc tế Nội Bài và trục đường chính nối trung tâm Hà Nội với chuỗi Đô thị Hoà Lạc - Sơn Tây (đường Trần Duy Hưng, đường Cầu Giấy - Xuân Thuỷ - 32)

Hình 3.1: Bản đồ giới hạn khu vực nghiên cứu

3.1.1.2 Cảnh quan thiên nhiên

Quận Cầu Giấy được hình thành trong vùng ven nội thành trước đây Vì vậy, chỉ có một số khu vực được Đô thị hoá rõ nét như đường Cầu Giấy - Xuân Thuỷ,đường 32 (phường Quan Hoa, Mai Dịch), đường Hoàng Quốc Việt, đường Nguyễn Phong Sắc (phường Nghĩa Đô, Nghĩa Tân) Còn lại phần lớn đất đai là các điểm dân

cư làng xóm và ruộng canh tác thông thoáng Tuy quận Cầu Giấy đang được Đô thị mạnh nhưng các làng xóm vẫn giữ được những nét cổ truyền: nhà thấp tầng có vườn, mật độ xây dựng thấp, đan xen với nhà ở trong làng có nhiều công trình di tích đền chùa, đình Trong quận có hồ Nghĩa Đô (chưa được khai thác triệt để), sông

Tô Lịch chạy dọc phía đông của quận, là ranh giới tự nhiên của quận Cầu Giấy với quận Ba Đình và quận Đống Đa Hiện tại sông Tô Lịch là tuyến thoát nước mưa, nước thải chính, được cải tạo từ năm 1975 nay đang được chỉnh trang thành trục cảnh quan nghỉ ngơi và cải thiện môi trường của khu vực Tương lai nữa nếu được đầu tư thích đáng làm sạch dòng chảy, xây kè và làm đường hai bên, trồng cây xanh tạo thành công viên bờ sông thì sông Tô Lịch sẽ là một không gian đẹp, thoáng mát

của khu vực (hiện nay dự án xây kè mở rộng dòng chảy bước đầu đang được triểnkhai).Trong quận bước đầu có một số khách sạn lớn và đẹp (Khách sạn Cầu Giấy,Pan Hozizon, ), Bảo tàng dân tộc học, các Viện nghiên cứu khoa học, Trường Đạihọc và nhiều công trình di tích lịch sử văn hoá (đình, chùa, đền, nhà thờ họ )Đấtđai và điạ hình

Về địa hình tự nhiên: Cầu Giấy là quận có diện tích đứng thứ 3 trong số 7 quậnnội thành Quận có địa hình tương đối bằng phẳng, thấp dần từ Bắc xuống Nam,cao độ trung bình +6.5 ÷ +6,7 m Các khu vực đã xây dựng (nhà ở, cơ quan, trườnghọc, ) có cốt nền khoảng +6,5 ÷ +7 m Các khu đất trồng chủ yếu là ruộng canhtác, nằm tập trung ở 3 phường: Dịch Vọng, Yên Hoà, Trung Hoà, cao độ thay đổi từcốt +4,5 ÷ +3,5 m cá biệt có khu hồ Nghĩa Tân sâu đến cốt +10 m

Về địa chất công trình: Căn cứ tài liệu địa chất đồng thể Thành phố Hà Nội được lập năm 1981 thì toàn bộ quận Cầu Giấyđược đánh giá thuộc vùng I thuận lợi cho xây dựng và vùng II thuận lợi có mức độ cho xây dựng Tuy nhiên để có giảipháp thiết kế móng hợp lý cần có số liệu khoan thăm dò cụ thể từng khu vực

Trong 1.204,405 ha của quận có 672,98 ha đã xây dựng, 531,07 ha chưa xây dựng, trong đó đất nông nghiệp có 339,42 ha Tỷ trọng diện tích đất nông nghiệp của quận tương đối cao (28,19%) diện tích quận Đây cũng là quỹ đất quan trọng đểquận có thể sử dụng trong quy hoạch xây dựng hệ thống cơ sở hạ tầng theo đúng yêu cầu về quy mô của Đô thị hiện đại Nhưng trong thời gian chưa xây dựng Đô thị, quỹ đất này cần tiếp tục phát triển nông nghiệp Trong Đô thị với những nét đặctrưng của nông nghiệp sinh thái, với tính sản xuất hài hoà cao, tính văn hoá kết hợpvới tính kinh tế và yếu tố môi trường thể hiện sự văn minh đô thị, tạo nên sự độc đáo trong phát triển kinh tế-xã hội mà các quận khác không có được (trừ quận TâyHồ)

Hiện tại quỹ đất nông nghiệp của quận tuy lớn nhưng chưa sử dụng được đầy

đủ, hợp lý và không được hiệu quả Hầu hết các phường có đất nông nghiệp đều cóthể bố trí các loại cây trồng có giá trị kinh tế cao chiếm tỷ lệ rất nhỏ trong tổng sốđất nông nghiệp (3,4%) Do hầu hết các loại cây trồng mứcđầu tư thấp nên sinh lời