Xây dựng mô hình thích hợp cho tính toán hệ thống công trình tổng hợp tiêu thoát nước đô thị vùng ảnh hưởng triều

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 1D và 2D Một và hai chiều 1, 2 Dimension trong mô hình toán Bộ NN&PTNT Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn CIWEM Cơ quan chuyên trách quản lý nước và môi trườ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI MIỀN NAM

TP Hồ Chí Minh, 2015

ĐẶNG THANH LÂM

XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍCH HỢP CHO TÍNH TOÁN

HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH TỔNG HỢP TIÊU THOÁT

NƯỚC ĐÔ THỊ VÙNG ẢNH HƯỞNG TRIỀU

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI MIỀN NAM

TP Hồ Chí Minh, 2015

ĐẶNG THANH LÂM

XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍCH HỢP CHO TÍNH TOÁN

HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH TỔNG HỢP TIÊU THOÁT

NƯỚC ĐÔ THỊ VÙNG ẢNH HƯỞNG TRIỀU

Chuyên ngành: Kỹ thuật Tài nguyên nước

Mã ngành: 62 58 02 12

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Cán bộ hướng dẫn: GS.TS Nguyễn Tất Đắc

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung của Luận án này hoàn toàn được hình thành và phát triển từ những quan điểm của chính cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS Nguyễn Tất Đắc Các số liệu và kết quả có được trong Luận án là hoàn toàn trung thực

Tác giả luận án

ĐẶNG THANH LÂM

Lời cảm ơn

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Nguyễn Tất Đắc đã tận tình, sâu sắc hướng dẫn về từng nội dung khoa học trong suốt qua trình nghiên cứu

Tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Nguyễn Ân Niên, GS.TS Lê Sâm, GS.TS Hoàng Hưng, GS.TS Tăng Đức Thắng đã chỉ dạy thêm phương pháp nghiên cứu khoa học, đóng góp ý kiến và tạo điều kiện về tư liệu cho tác giả thực hiện luận án

Tác giả xin chân thành cảm ơn Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam và Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam đã tạo điều kiện tốt nhất và giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận án

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn với gia đình, đồng nghiệp và bạn bè

là những người luôn quan tâm, động viên và hỗ trợ tác giả vượt qua khó khăn

để hoàn thành luận án

Tác giả luận án

ĐẶNG THANH LÂM

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vii

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGẬP ÖNG ĐÔ THỊ, GIẢI PHÁP KỸ THUẬT CHỐNG NGẬP VÀ MÔ HÌNH TÍNH TIÊU THOÁT NƯỚC 5

1.1 NGẬP LỤT VÀ CÁC GIẢI PHÁP CHỐNG NGẬP CHO MỘT SỐ THÀNH PHỐ 5 1.1.1 Lịch sử phát triển kỹ thuật và quản lý tiêu thoát nước đô thị trên thế giới 5

1.1.2 Vài nét về tình hình ngập lụt trong và ngoài nước 5

1.1.3 Nguyên nhân ngập úng các thành phố 9

1.1.4 Giải pháp tổng hợp chống ngập đô thị 11

1.1.5 Giải pháp chống úng ngập TP HCM và ứng dụng mô hình toán 12

1.1.6 Nhận xét về ứng dụng các mô hình toán trong các dự án chống ngập 19

1.2 CÁC MÔ HÌNH TOÁN TÍNH TIÊU THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ 21

1.2.1 Một số khái niệm 21

1.2.2 Một số mô hình thủy văn đô thị 26

1.2.3 Một số mô hình thủy lực đô thị 31

1.3 NHẬN XÉT CHUNG VỀ TÍNH NĂNG CÁC MÔ HÌNH THỦY VĂN, THỦY LỰC ĐÔ THỊ 39

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 41

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH DELTA-P NỐI GHÉP THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG VỚI THỦY LỰC SÔNG KÊNH 42

2.1 MÔĐUN THỦY LỰC DÒNG CHẢY TRONG SÔNG KÊNH DELTA 42

2.1.1 Hệ phương trình cơ bản cho dòng chảy 43

2.1.2 Điều kiện biên, điều kiện đầu, điều kiện tại các hợp lưu 44

2.1.3 Thuật toán giải số hệ phương trình Saint-Venant 45

2.1.4 Cách sơ đồ hóa hệ thống sông trong tính toán 55

2.1.5 Công thức truy đuổi để tính mực nước và lưu lượng trong từng nhánh sông trong trường hợp tính toán hệ thống sông 58

2.1.6 Xây dựng hệ phương trình có ẩn là mực nước tại các nút hợp lưu 58

2.1.7 Vấn đề thực hành khi thiết lập các hệ số của phương trình nút (2-36) và phương pháp giải 63

2.1.8 Thuật toán cho dòng chảy qua công trình 66

2.1.9 Thuật toán cho dòng chảy trên những ô đồng 74

2.1.10 Tính lượng mưa trên ô ruộng 82

2.2 MÔĐUN THỦY LỰC DÒNG CHẢY TRONG ĐƯỜNG ỐNG P 85

2.2.1 Phân tích quy luật dòng chảy trong cống ngầm 88

2.2.2 Nối mạng ống với nhau hoặc mạng ống với kênh 91

2.2.3 Cách giải số đối với bài toán đường ống 92

2.2.4 Tính toán ngập úng trong ô trữ/đường phố 95

2.3 TÍCH HỢP CSDL VÀ GIS CỦA PHẦN MỀM DELTA-P 96

2.3.1 Chức năng hệ thống 96

2.3.2 Tổng quan về cơ sở dữ liệu 96

2.3.3 Thiết kế giao diện màn hình sử dụng 97

2.3.4 Tổ chức mạng lưới sông kênh 99

2.3.5 Nhận xét: 99

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 100

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG THỦY LỰC SÔNG KÊNH TP HCM VÀ TIÊU THOÁT NƯỚC LƯU VỰC TÂN HÓA–LÕ GỐM BẰNG MÔ HÌNH DELTA-P 102

3.1 ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN KHU VỰC TP HỒ CHÍ MINH 103

3.1.1 Vị trí địa lý 103

3.1.2 Đặc điểm địa hình 103

3.1.3 Đặc điểm khí hậu 103

3.1.4 Hệ thống sông kênh 104

3.1.5 Hệ thống cống thoát nước 106

3.2 MÔ HÌNH THUỶ LỰC SÔNG KÊNH DELTA-P KHU VỰC TPHCM 107

3.2.1 Hệ thống tài liệu cho xây dựng mô hình 107

3.2.2 Xây dựng sơ đồ và hiệu chỉnh mô hình 108

3.2.3 Kết quả mô phỏng thủy lực sông kênh hạ lưu ĐNSG 109

3.2.4 Nhận xét kết quả tính toán bằng mô hình DELTA-P 113

3.3 MÔ HÌNH THUỶ LỰC ĐƯỜNG ỐNG DELTA-P KHU VỰC KÊNH TÂN HOÁ-LÒ GỐM 114

3.3.1 Phạm vi vùng nghiên cứu 114

3.3.2 Hệ thống kênh rạch, cống tiêu và công trình trên kênh 116

3.3.3 Ngập úng lưu vực Tân Hoá-Lò Gốm 118

3.3.4 Nguyên nhân, tồn tại và những giải pháp chống ngập úng lưu vực THLG 119

3.3.5 Tài liệu địa hình 120

3.3.6 Tài liệu mưa và thuỷ văn 121

3.3.7 Mô hình mạng đường ống 122

3.3.8 Điều kiện mưa và dòng chảy do mưa 123

3.3.9 Mô phỏng hiện trạng úng ngập tháng 10/2005 124

3.3.10 Mô phỏng phương án mở rộng, nạo vét kênh THLG (PA1) 127

3.3.11 Mô phỏng phương án mở kênh và nâng cấp đường ống tiêu nước (PA2) 128

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 129

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 131

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 134

TÀI LIỆU THAM KHẢO 136

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

1D và 2D Một và hai chiều (1, 2 Dimension) trong mô hình toán

Bộ NN&PTNT Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn

CIWEM Cơ quan chuyên trách quản lý nước và môi trường (Anh)

CSDL Cơ sở dữ liệu

ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long

ĐN-SG Đồng Nai-Sài Gòn

DHI Viện Thuỷ lực Đan Mạch (Danish Hydraulic Institute)

EPA (US) Cơ quan bảo vệ môi trường (Mỹ) (Environmental Protection

Agency) GIS Hệ thống thông tin địa lý (Georaphical Information System)

HD Thuỷ động lực học (Hydro-Dynamic)

JICA Cơ quan hợp tác quốc tế Nhật bản (Japan International

Cooperation Agency) NCS Nghiên cứu sinh

PCI Công ty tư vấn Thái Bình Dương (Pacific International Consultant) SWMM Mô hình quản lý nước mưa (Storm Water Management Model) THLG Tân Hóa - Lò Gốm

TP HCM Thành phố Hồ Chí Minh

ĐHCTCN Điều hành Chương trình chống ngập (Trung tâm thuộc UBND TP

HCM) UBND Ủy ban nhân dân

UDFCD Cơ quan phòng chống lũ và tiêu nước đô thị thuộc bang Colorado

Mỹ (Urban Drainage and Flood Control District) Viện KHTLMN Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam

Viện QHTLMN Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam

WASSP Bộ mô hình cống tiêu nước mưa của Đại học Wallingford

(Wallingford Storm Sewer Package)

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

∑ tổng cộng Q/ t đạo hàm riêng lưu lượng Q theo thời gian t

a, b, hằng số

C Hệ số Chezy (m1/2

/s)

D đường kính cống tròn (m) sai phân

g gia tốc trọng trường (m/s2

)

H, h mực nước (m)

i độ dốc kênh, cống ngầm

L chiều dài đoạn cống (m)

m hệ số lưu lượng

N hệ số nhám kênh, cống (m-1/3

s)

Q lưu lượng (m3

/s);

r bán kính cống tròn (m)

R Bán kính thủy lực (m) x,y,z biến số

Z cao trình mực nước, mặt đất (m)

ε hệ số co hẹp

λ hệ số ma sát

ξ hệ số tổn thất

φ hệ số lưu tốc

ω diện tích mặt cắt ướt (m2

)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1: Diễn biến các điểm ngập do mưa vùng trung tâm thành phố 7

Bảng 1-2: Diễn biến các điểm ngập do triều 8

Bảng 3-1: Tổng hợp các thông số chính hệ thống kênh thuộc khu vực THLG 116

Bảng 3-2: Thống kê khu ngập lưu vực THLG 119

Bảng 3-3: Minh họa số liệu năm đoạn cống Tân Hóa-Lò Gốm được mô hình hóa 122

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1-1: Hình ảnh ngập úng do mưa (trái) và do triều cường (phải) ở TPHCM 6

Hình 1-2: Bản đồ hiện trạng úng ngập TP HCM 9

Hình 1-3: Những nguyên nhân tự nhiên gây ngập úng TP Hồ Chí Minh 10

Hình 1-4: Bản đồ 6 lưu vực thoát nước mưa 15

Hình 1-5: Sơ đồ các thành phần trong hệ thống thoát nước đô thị và các mô hình áp dụng21 Hình 1-6: Sơ đồ chu trình thuỷ văn lưu vực chưa đô thị hoá 22

Hình 1-7: Sơ đồ chu trình thuỷ văn lưu vực đô thị 23

Hình 1-8: Các đặc trưng thủy văn của lưu vực đô thị 24

Hình 1-9: Diễn biễn dòng chảy mưa lũ trên đô thị 25

Hình 1-10: Giao diện nhập thông số lưu vực mô hình Urban-A 28

Hình 1-11: Giao diện nhập thông số lưu vực mô hình Urban-B 28

Hình 1-12: Sơ đồ biểu diễn ngập úng bề mặt đường (hai chấm đỏ tròn) có cống ngầm 32

Hình 1-13: Kết quả kiểm định mô hình NAM và MIKE FLOOD sông Đáy-Nhuệ 35

Hình 1-14: Bản đồ ngập lụt tính toán bằng MIKE FLOOD cho lưu vực sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn TP Hà Nội 35

Hình 1-15: Bản đồ lưu vực Nhiêu Lộc và các điểm ngập úng mô phỏng bằng Mike Flood37 Hình 2-1: Mặt cắt ngang sông 43

Hình 2-2: Hợp lưu của ba nhánh sông 45

Hình 2-3: Vị trí tám mặt cắt trên một nhánh sông 45

Hình 2-4: Sơ đồ sai phân bốn điểm Preissmann 46

Hình 2-5: Sơ đồ rời rạc hóa một nhánh sông trong tính toán 51

Hình 2-6: Sơ đồ hóa nhánh sông thứ j 52

Hình 2-7: Các nhánh sông (có thể có) tại nút hợp lưu, trường hợp tính thủy lực kênh sông59 Hình 2-8: Nhánh trong nối 2 hợp lưu JV và I, các mặt cắt đánh số từ k1 tới kN 59

Hình 2-9: Nhánh trong nối hai hợp lưu I và JR , các mặt cắt đánh số từ i1 tới iN (nhánh chảy ra từ nút I) 60

Hình 2-10: Sơ đồ nhánh biên thứ m nối hợp lưu I với biên J (cho lưu lượng Q b) 60

Hình 2-11: Sơ đồ nhánh biên thứ m nối hợp lưu I với biên J (cho mực nước H b) 60

Hình 2-12: Tính toán lưu lượng dòng chảy qua công trình 68

Hình 2-13: Sơ đồ hóa luật chảy qua công trình/cống 70

Hình 2-14: Cống có cửa kéo lên xuống (trái) và cống cánh cửa xoay ngang (phải) 70

Hình 2-15: Cách ghép công trình trong sơ đồ tính toán 71

Hình 2-16: Sơ đồ công trình 73

Hình 2-17: Khu/ô ruộng trữ nước trong tự nhiên 74

Hình 2-18: Sơ đồ chảy giữa sông và các ô ruộng 75

Hình 2-19: Một cách sơ đồ hoá dạng đường tràn 75

Hình 2-20: Sơ đồ điểm nối sông-ô ruộng (hay ô ruộng-ô ruộng) 76

Hình 2-21: Hai ô ruộng thực tế I và II (trái) với 4 điểm tiếp xúc (3 điểm tiếp xúc ruộng với sông và 1 điểm ruộng với ruộng) và cách lập kênh giả nối tâm ô ruộng với các điểm tiếp xúc trong mô hình (trái) 80

Hình 2-22: Sơ đồ tính toán ô ruộng 81

Hình 2-23: Sơ đồ các nhánh sông vị trí mặt cắt và công trình trong mô phỏng 81

Hình 2-24: Sơ đồ tính lượng mưa 83

Hình 2-25: Sơ đồ tổ chức của DELTA (có ghép môđun P) 84

Hình 2-26: Sơ đồ khối các trường hợp tính ứng với các điều kiện dòng chảy trong ống 86

Hình 2-27: Hình minh hoạ các trường hợp dòng chảy trong cống 86

Hình 2-28: Sơ đồ mạng đường ống-kênh 92

Hình 2-29: Các nhánh sông và đường cống ngầm (có thể có) tại nút hợp lưu sông I 94

Hình 2-30: Sơ đồ chức năng hệ thống trong mô hình DELTA-P 97

Hình 2-31: Giao diện tạo nhánh sông mới 98

Hình 2-32: Giao diện SectionFrom 98

Hình 2-33: Giao diện TreeNetForm 99

Hình 3-1: Bản đồ mạng lưới sông, kênh, rạch TP Hồ Chí Minh 105

Hình 3-2: Sơ đồ thủy lực mô hình DELTA-P vùng hạ lưu ĐN-SG 108

Hình 3-3: Diễn biến mực nước tháng 2-2005 tại trạm Biên Hòa 110

Hình 3-4: Diễn biến mực nước tháng 3-2005 tại trạm Biên Hòa 110

Hình 3-5: Diễn biến mực nước tháng 4-2005 tại trạm Biên Hòa 110

Hình 3-6: Diễn biến mực nước tháng 2-2005 tại trạm Nhà Bè 111

Hình 3-7: Diễn biến mực nước tháng 3-2005 tại trạm Nhà Bè 111

Hình 3-8: Diễn biến mực nước tháng 4-2005 tại trạm Nhà Bè 111

Hình 3-9: Mực nước thực đo và mô phỏng tại Biên Hoà tháng 10-2005 112

Hình 3-10: Mực nước thực đo và mô phỏng tại Nhà Bè tháng 10-2005 112

Hình 3-11: Mực nước thực đo và mô phỏng tại Phú An tháng 10-2005 113

Hình 3-12: Mực nước mô phỏng tại Phú An, Bến Lức và cửa Lò Gốm tháng 10-2005 113

Hình 3-13: Bản đồ vị trí lưu vực Tân Hoá-Lò Gốm trong vùng nội thành TP HCM 114

Hình 3-14: Bản đồ các đơn vị hành chính trong lưu vực THLG 115

Hình 3-15: Hệ thống cống lưu vực THLG 117

Hình 3-16: Bản đồ vị trí các khu ngập lưu vực THLG theo điều tra 118

Hình 3-17: Bản đồ cao độ số vùng THLG 121

Hình 3-18: Sơ đồ mô hình hệ thống đường ống tiêu thoát nước lưu vực THLG 123

Hình 3-19: Biểu đồ diễn biến độ ngập trên đường phố ngày 01-09/10/2005 125

Hình 3-20: Biểu đồ diễn biến mực nước triều trên kênh ngày 01-09/10/2005 125

Hình 3-21: Mực nước tính toán hiện trạng năm 2005 tại một số nút cống lưu vực THLG và một nút kênh 126

Hình 3-22: Bản đồ ngập hiện trạng trận mưa tháng 10-2005 126

Hình 3-23: Bản đồ phân bố ngập lưu vực THLG phương án mở kênh 127 Hình 3-24: Bản đồ phân bố ngập lưu vực THLG phương án mở kênh và nâng cấp cống 128

Cho đến nay, ở trong nước cũng như nước ngoài việc dùng mô hình toán để tính toán dòng chảy và lan truyền chất trên mạng kênh sông đã trở nên phổ biến và các mô hình toán trong lĩnh vực này cũng khá hoàn thiện Kỹ thuật tính toán tiêu thoát nước mưa cho thành phố qua mạng đường ống/cống ngầm cũng đã được biên

soạn thành giáo trình hay sổ tay (Trong luận án này mạng đường ống hay mạng

cống ngầm được hiểu là mạng đường ống có chiều dài không nhỏ hơn 5m được đặt ngầm dưới đất nhằm tiêu thoát nước mưa (hay nước thải, nước tràn) từ đường phố

ra sông kênh hay các khu trữ) Tuy nhiên, việc tính tiêu thoát nước mưa khi đổ vào

kênh rạch có chịu ảnh hưởng triều và ngay việc tính thủy lực mạng kênh có nối với đường ống/cống ngầm vẫn chưa được đề cập tới nhiều Các mô hình của nước ngoài như SWMM5 hay Mike-Urban đã được thử nghiệm nhưng còn nhiều hạn chế mô phỏng ảnh hưởng triều đến dòng chảy trong ống gây ngập lụt như với điều kiện TP

Hồ Chí Minh

Một hiện tượng được biết rất rõ là khi mưa to lại gặp triều cường trên mạng kênh rạch thì nước mưa khó tiêu thoát sinh ra ngập úng nhiều vùng; trường hợp này thường xuyên xảy ra với một số khu vực thuộc TP Hồ Chí Minh trong mùa mưa Với một số vùng và đường phố của TP Hồ Chí Minh khi không có mưa cũng bị ngập do triều cường, hoặc bị ngập sau mưa do nước mưa từ nơi khác chuyển tới Có

tác giả xây dựng mô hình tính toán [5] nhưng chưa xét đủ các trường hợp chảy trong hệ cống ngầm và thử nghiệm [5] [6] [8] chưa phản ánh được hiện tượng ngập

do triều trong tính toán dòng chảy trong mạng ống/cống ngầm nối với mạng kênh rạch khi có mưa và không mưa trong vùng chịu ảnh hưởng của thủy triều Trên thực

tế, lượng mưa qua một số yếu tố điều tiết như mái nhà, cây cối,… sẽ tập trung trên lưu vực (chẳng hạn đường phố) rồi mới chảy dần vào các miệng thu cho nên trong trường hợp không mưa vẫn có một lớp nước trong đường cống và khi ngập triều thì

có dòng chảy

Những tính toán mới đây cho dự án ngập úng TP Hồ Chí Minh,[4] mặc dù có tính mưa bằng Mike-Urban nhưng vẫn phải giả định mưa bao nhiêu tiêu hết ra kênh bấy nhiêu mà bỏ qua dòng chảy và vai trò trữ của hệ thống cống ngầm

Những đặc điểm nêu trên sẽ được tính tới trong việc xây dựng một phương pháp tính và bộ chương trình máy tính tương ứng nhằm tính toán được sự tương tác giữa mạng kênh sông và mạng cống ngầm trong hệ thống tiêu chịu ảnh hưởng của

cả mưa và ngập triều Bộ chương trình này được đặt tên là DELTA-P, là sự kết hợp hai mô hình thuỷ lực sông kênh DELTA (tiền thân là mô hình SAL của GS Nguyễn Tất Đắc) và mô đun dòng chảy trong cống ngầm (Pipe flow-P) Mô hình DELTA-P

đã được thử áp dụng cho mạng cống ngầm vùng Tân Hóa–Lò Gốm của TP Hồ Chí Minh với toàn mạng kênh sông chi tiết của hệ thống sông Đồng Nai-Sài Gòn trong điều kiện thủy văn của tháng 10/2005 Kết quả tính toán cho thấy tính hợp lý mong muốn của hiện tượng được mô phỏng, chẳng hạn ngập chỉ do triều cường hoặc khi không có mưa hoặc ngập khi đã hết mưa

Mục tiêu nghiên cứu:

Tận dụng khả năng của mô hình thuỷ lực sông kênh để nối ghép tính toán đồng thời với môđun cống ngầm nhằm áp dụng sát thực và chính xác hơn với điều kiện một số thành phố chịu ảnh hưởng đồng thời mưa lớn và triều cường ở nước ta Đồng thời, giải đáp một trong những tồn tại về giải pháp tiêu thoát nước đô thị có xét đến yếu tố tác động của triều cường và mưa cục bộ trong điều kiện đô thị hoá

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu là mô hình toán mô phỏng chế độ thuỷ văn-thuỷ lực sông kênh tự nhiên và mạng cống ngầm tiêu thoát nước đô thị

Phạm vi nghiên cứu là phát triển mới môđun thủy lực cống ngầm (gồm giải

số, lập trình, lập sơ đồ mạng cống và mô phỏng thử nghiệm) và tích hợp trong mô hình thủy lực sông kênh

Phương pháp nghiên cứu:

Tổng hợp và phân tích tài liệu;

Phương pháp thủy văn lưu vực;

Phương pháp thuỷ động lực học;

Phương pháp số (toán học);

Phương pháp lập trình và mô hình hóa;

Kỹ thuật GIS

Nội dung thực hiện:

Đánh giá về tình hình ngập úng đô thị trong và ngoài nước, nguyên nhân và giải pháp chống ngập

Nghiên cứu bổ sung cơ sở lý thuyết mô hình hóa thủy văn, thủy lực đô thị

Rà soát và cải tiến mô hình thuỷ động lực sông kênh kết nối với mô hình dòng chảy trong mạng cống ngầm để mô phỏng được dòng chảy và ngập lụt vùng ảnh hưởng thuỷ triều

Ứng dụng mô hình để mô phỏng thí điểm hệ thống sông kênh khu vực TP

Hồ Chí Minh và nối kết hệ thống cống ngầm vùng Tân Hóa-Lò Gốm

Sử dụng kỹ thuật GIS trình diễn kết quả mô phỏng úng ngập vùng nghiên cứu

Kết quả đạt được:

Luận án luận giải tình hình ngập úng, nguyên nhân, các dự án và các vấn đề cần giải quyết, ứng dụng mô hình toán thủy văn, thủy lực giải quyết úng ngập đặc

biệt với vùng ảnh hưởng triều

Nghiên cứu cách ghép nối mô hình thủy lực đường ống và thủy lực sông kênh với tên gọi DELTA-P

Nghiên cứu mô phỏng bài toán tiêu thoát nước lưu vực Tân Hoá-Lò Gốm thuộc TP Hồ Chí Minh, bao gồm kiểm định mô hình và tính toán, phân tích các phương án công trình chống ngập bằng mô hình thủy lực cống nối ghép với kênh

Tác giả 2 bài báo khoa học và đồng tác giả 4 bài báo khoa học liên quan đến luận án

Các đóng góp mới của luận án:

(1) Luận án đã xây dựng được cơ sở thuật toán và lập trình để xây dựng

được môđun thủy lực cống ngầm P (Pipe flow) dùng trong tính toán tiêu thoát

nước đô thị do mưa và triều;

(2) Kết nối môđun P với mô hình thuỷ lực sông kênh DELTA thành mô hình

DELTA-P để giải đồng thời bài toán mưa trên lưu vực, dòng chảy trong cống và

trong kênh ở vùng ảnh hưởng triều Các thử nghiệm cho thấy công cụ DELTA-P có thể ứng dụng tốt cho bài toán thực tế

Ý nghĩa khoa học:

Luận án là một phát triển mới về tính tương tác đồng thời giữa dòng chảy trong kênh sông và dòng chảy trong đường ống để tính tiêu thoát nước đô thị từ mưa hay ngập triều trên bề mặt đô thị, không trùng lặp với công trình đã có

Xây dựng mô hình toán DELTA-P hoàn chỉnh và đã được kiểm nghiệm

Ý nghĩa thực tiễn:

Nghiên cứu đã phát triển được một công cụ mới để giải quyết bài toán tiêu thoát nước đô thị Công cụ này khả thi và ổn định với các bài toán lớn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGẬP ÖNG ĐÔ THỊ, GIẢI PHÁP KỸ THUẬT CHỐNG NGẬP VÀ MÔ HÌNH

kỹ thuật công trình tiêu thoát nước đô thị như UDFCD của thành phố Denver bang Colorado thành lập năm 1969, cơ quan quản lý của Anh và Wale thành lập năm

1974

Đến những năm 1980 nhờ phát triển công nghệ phần cứng, phần mềm vi tính

mô phỏng hệ thống tiêu thoát nước đã làm tăng hiệu quả kinh tế của các công trình tiêu thoát nước và sáng tỏ nhiều vấn đề kỹ thuật Đến những năm 1990 thì vấn đề quản lý chất lượng nước thải được quan tâm giải quyết và cơ cấu tổ chức ngành nước và môi trường nước ở nhiều nơi được cải tổ

1.1.2 Vài nét về tình hình ngập lụt trong và ngoài nước

Ngập lụt là một trong những loại thiên tai gây nhiều thiệt hại nhất cho loài người, từ cổ chí kim, khắp nơi trên thế giới đã phải chịu những thảm họa khốc liệt

do ngập lụt gây nên

Ngày nay, các nhà thống kê học đã đưa ra những con số về sự gia tăng đến mức chóng mặt những thiệt hại do ngập lụt gây ra Nếu như đầu thế kỷ 20, trung

bình mỗi năm trên thế giới, thiệt hại do ngập lụt vào khoảng 100 triệu đô la Mỹ, thì đến nửa sau của thế kỷ con số này đã vượt quá 1 tỷ, trong mười năm trở lại đây là trên 10 tỷ [4]

Việt Nam là một trong số các quốc gia đang phát triển phải thường xuyên đối mặt với các đợt lũ lụt nghiêm trọng gây ra chủ yếu bởi mưa gió mùa, bão nhiệt đới

và triều cường; mức độ xảy ra khá thường xuyên tại các thành phố như Hà Nội, TP

Hồ Chí Minh, Đà Nẵng và Cần Thơ [4]

- Tại Hà Nội, ngập lụt đang là một vấn đề lớn được các cấp các ngành quan tâm, đặc biệt trận lụt lịch sử tháng 11/2008 đã để lại tổn thất nặng nề

- TP Huế năm nào cũng bị ngập bởi 3†4 trận lụt, ngập sâu nhất có nơi trên 4m,

ít nhất cũng 1†2m, làm các cung điện thành Huế xuống cấp nghiêm trọng

- Tại TP Đà Nẵng mỗi khi có mưa lớn lại có hơn 30 điểm bị ngập úng nặng

- Các thành phố ở miền Tây Nam bộ nói chung và TP Cần Thơ (trung tâm kinh tế-văn hóa của miền Tây Nam bộ) nói riêng đang gặp phải vấn nạn ngập lụt, nhất là vào mùa nước nổi

- Tại TP Hồ Chí Minh, ngập lụt đang là một vấn đề hết sức bức xúc của chính quyền và nhân dân thành phố như được minh họa trong cảnh ngập thực tế Hình 1-1 cũng và trong các cuộc họp bàn về giải pháp chống ngập cấp bách trên địa bàn giữa chính quyền TP HCM với các ban, ngành vì tình hình ngập nước nghiêm trọng trong những ngày giữa tháng 10/2014 bởi tình trạng ngập úng lại gia tăng từ 11 điểm năm 2013 lên 27 điểm năm 2014

Hình 1-1: Hình ảnh ngập úng do mưa (trái) và do triều cường (phải) ở TPHCM

Do đặc điểm địa hình trũng thấp, hệ thống tiêu thoát không đồng bộ và hư hỏng nhiều, trình độ quản lý và quy hoạch phát triển đô thị còn chưa tương xứng, ý thức cộng đồng và nếp sống đô thị của người dân còn kém Mặt khác vốn đầu tư cho công trình tiêu còn nhiều hạn chế nên trong nhiều năm qua vấn đề ngập lụt trong khu vực nội thành đã trở thành mối lo ngại và quan tâm của nhiều người dân thành phố Theo số liệu điều tra của Công ty thoát nước đô thị và của Sở NN&PTNT thành phố trong những năm trước 2007 toàn thành phố (nội thành và vùng ven) có tổng diện tích ngập là 4.011 ha Trong đó, ngập đất xây dựng 2861 ha, ngập đất nông nghiệp 1150 ha Nhiều nơi ở trung tâm thành phố có độ sâu ngập đến 100cm và thời gian ngập đến 24 giờ

Trước tình hình đó, UBND thành phố đã thành lập Trung tâm Điều hành chương trình chống ngập (ĐHCTCN) vào tháng 3/2008 nhằm triển khai các chương trình, dự án chống ngập và quản lý vận hành hệ thống công trình chống ngập của thành phố Theo báo cáo của Trung tâm ĐHCTCN [10] từ năm 2008 đến 2011 tình trạng ngập úng của thành phố đã giảm đáng kể, giảm 2/3 số điểm ngập và giảm một nửa thời gian ngập và chiều dài mỗi điểm (chi tiết số liệu xem Bảng 1-1)

Bảng 1-1: Diễn biến các điểm ngập do mưa vùng trung tâm thành phố

1 Các điểm ngập phân theo lưu vực So sánh số điểm ngập cùng kỳ

3 Thời gian ngập trung bình 140 phút 120 phút 59 phút

Nguồn: Trung tâm ĐHCTCN, 2011

Bảng 1-2: Diễn biến các điểm ngập do triều

Năm xuất

hiện

Đỉnh triều (m)

Số tuyến đường bị ngập nặng Tổng số Vùng trung tâm Vùng ngoại vi

Nguồn: Trung tâm ĐHCTCN, 2011

Những điểm ngập nặng còn lại của thành phố là trên các tuyến đường Bùi Hữu Nghĩa, Ngô Tất Tố, Bình Quới (quận Bình Thạnh), Lương Đình Của (quận 2),

Hồ Học Lãm (quận Bình Tân), Bến Phú Định, An Dương Vương (quận 8), Nguyễn Thị Thập và Huỳnh Tấn Phát (quận 7)

Ngoài những điểm ngập nặng thống kê trên đây còn có 13 vị trí bị trũng cục

bộ, cao trình đường thấp hơn đỉnh triều, bị nước tràn gây ngập nhẹ như đường Mai Xuân Thưởng (chiều dài 10m), An Bình (10m), Bình Tiên (19m), Ngô Tất Tố (20m), với chiều dài ngập từ 10m đến 100m với diện tích ngập dưới 1000m2 (theo

quy định của Bộ Xây dựng, diện tích phải từ 2000m 2

trở lên mới coi là ngập)

Đến nay, 39 điểm ngập đã xóa chỉ trong trường hợp đối với những trận mưa

có vũ lượng nhỏ hơn hoặc bằng tần suất thiết kế các tuyến cống theo Quyết định 752/QĐ-TTg ngày 19/6/2001 của Thủ tướng Chính phủ về phê duyệt Quy hoạch tổng thể hệ thống thoát nước TP Hồ Chí Minh đến năm 2020 (đối với tuyến cống cấp 3 là 75,88mm/3giờ, tuyến cống cấp 2 là 85,36mm/3giờ, với kênh rạch chính cấp

1 là 95,91mm/3giờ) nhỏ hơn tần suất mưa 20% (99,4mm/3giờ)

Trong trường hợp mưa lớn kết hợp với triều cường thì khả năng ngập úng của thành phố vẫn rất nghiêm trọng

- Thành phố đặt tại vị trí ven sông, biển, có địa hình cốt nền thấp;

- Do biến đổi khí hậu dẫn tới tình trạng mưa cực đoan, nước biển dâng cao đột ngột;

- Do lũ thượng nguồn đổ về;

- Do tốc độ đô thị hóa nhanh, dẫn tới không gian chứa lũ, thoát lũ bị co hẹp lại, lượng nước chảy tràn tại các đô thị tăng lên

Các trận lũ lớn tái diễn liên tục tại nhiều thành phố trên thế giới đã dẫn đến sự

ra đời của nhiều giải pháp nhằm giảm thiểu tác động của ngập lụt, bao gồm các giải pháp công trình và phi công trình

Hình 1-3: Những nguyên nhân tự nhiên gây ngập úng TP Hồ Chí Minh

Hiện tượng ngập lụt ở TP Hồ Chí Minh bắt nguồn từ 3 yếu tố: lũ, triều cường

và mưa lớn (minh họa ở bản đồ Hình 1-2) [4] Thêm vào đó, tiến trình đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ làm cho không gian chứa lũ bị co lại, sông rạch bị bồi lấp, hệ thống tiêu, thoát nước quá tải và xuống cấp, dẫn đến cao trình triều bị đẩy lên, tốc

độ truyền triều cao hơn, thời gian lưu triều dài hơn gây nên ngập lụt kéo dài trên diện rộng vào mùa mưa và triều cường Cụ thể các nguyên nhân như:

- Một số diện tích khu vực nội thành nằm ven các sông rạch có cao trình thấp (dưới 1,5 m)

- Mưa có cường suất cao nên nước tập trung quá nhanh

- Mực nước của các sông rạch thuộc khu vực nội thành cao do ảnh hưởng của triều cường biển đông trong lúc đó cao độ mặt đất tự nhiên lại ở cao trình thấp

- Một số đường phố ở cao trình cao nhưng công trình tiêu thoát nước không

đủ và không đồng bộ do quá trình đô thị hóa phát triển quá nhanh

- Một số cống thoát nước bị lấn chiếm hoặc lâu ngày không nạo vét nên tiết diện bị thu hẹp nên khả năng chuyển nước kém

- Một số kênh rạch (trục tiêu chính) bị bồi lắng nên khả năng chuyển nước kém

- Một số cống đặt quá thấp dưới mực nước triều, nhưng lại không có cánh cửa đóng mở nên sinh ra dòng chảy ngược theo cống đến các khu có cao trình thấp

1.1.4 Giải pháp tổng hợp chống ngập đô thị

Giải pháp chống ngập đòi hỏi sự kết hợp toàn diện từ kế hoạch chiến lược tổng hợp, giải pháp quy hoạch đến thiết kế xây dựng và quản lý vận hành công trình Lấy ví dụ về Chiến lược tiêu thoát nước đô thị tổng hợp ở Anh quốc do các cơ quan ngành nước Anh quốc đang mong muốn xây dựng nhằm đề xuất kế hoạch tiêu thoát nước dài hạn (20 năm) nhằm tích cực, chủ động ứng phó với úng ngập và ô nhiễm đô thị [14] trong bối cảnh nước Anh liên tiếp xảy ra úng ngập nghiêm trọng các năm 2007, 2008, 2009, 2011 và 2012 Đồng thời, nhiều khó khăn trong công tác chống ngập úng do hệ thống tiêu thoát nước đô thị xuống cấp (khoảng 70% hệ thống đã trên 50 năm tuổi), dân số và hạ tầng tăng nhanh, nguy cơ biến đổi khí hậu

Theo quan điểm chiến lược tiêu nước đô thị tổng hợp, việc ứng dụng của mô hình toán nhằm: [14]

- Phân tích chi tiết nguyên nhân, ảnh hưởng và biện pháp khắc phục ngập úng đô thị;

- Cung cấp thông tin để hiểu rõ hơn sự tác động của các nguồn nước đối với hoạt động, vận hành của hệ thống tiêu thoát nước;

- Xây dựng kế hoạch tổng hợp phát triển hạ tầng và các công trình chống ngập;

- Đánh giá hiện trạng và dự báo rủi ro úng ngập;

- Lập kế hoạch ứng phó khẩn cấp;

- Đánh giá tác động của hệ thống tiêu nước đối với hệ thống sông kênh;

- Ứng phó biển đổi khí hậu và nước biển dâng

CIWEM phân loại các bộ mô hình thủy văn-thủy lực đô thị được phát triển

để mô phỏng các loại đối tượng riêng biệt hoặc được tích hợp một số đối tượng như sau: [14]

- Tương tác cống ngầm-sông kênh hở;

- Ngập lũ sông kênh-ô đồng, bãi tràn;

- Tương tác dòng chảy mặt phố-cống ngầm-sông kênh hở;

- Tương tác cống ngầm-tầng nước ngầm;

- Tương tác cống ngầm-thủy triều;

Trong đó bộ các mô hình dòng chảy mặt phố-cống ngầm-sông kênh hở được giới thiệu trong tài liệu hướng dẫn ứng dụng cho quản lý tiêu thoát nước tổng hợp

1.1.5 Giải pháp chống úng ngập TP HCM và ứng dụng mô hình toán

1.1.5.1 Phương hướng giải quyết úng ngập

Từ những tồn tại về tiêu thoát nước, cho thấy mục tiêu việc xây dựng các quy hoạch nghiên cứu tiêu thoát nước cần phải đạt được các mục tiêu sau:

Nghiên cứu các giải pháp công trình tiêu trên các hệ thống khung trục tiêu, từ

đó đề xuất phương án công trình hợp lý nhằm giải quyết tiêu nước mưa và nước thải chống ngập úng và cải thiện ô nhiễm môi trường Trước mắt, giải quyết cơ bản tình trạng ngập úng do mưa và lũ gây ra Kết hợp tiêu nước cải thiện một phần nước

nhiễm bẩn trong các kênh rạch Về lâu dài tiến tới giải quyết triệt để tình trạng ngập úng và ô nhiễm môi trường trong các kênh rạch để đảm bảo phát triển bền vững lâu dài

Nhiệm vụ tiêu thoát nước TP Hồ Chí Minh phải giải quyết các vấn đề cơ bản sau đây: [11]

Ngập úng do mưa: Mưa là yếu tố khách quan, con người không thể chống

mưa được Tuy nhiên, để giảm mức độ ngập do mưa sinh ra thì cần phải có những nghiên cứu thật cụ thể để hiểu rõ hơn tính chất, đặc điểm của mưa (mưa xảy ra khi nào, cường độ bao nhiêu, trong thời gian bao lâu) để từ đó thiết kế các công trình tương ứng và đây là vấn đề cần được thực hiện nghiên cứu có sự phối hợp chặt chẽ giữa các cơ quan nghiên cứu, cơ quan quản lý trong việc tìm ra lời giải phù hợp, có được sự đồng thuận cao về mặt khoa học

Ngập úng do cao độ: Bài toán kỹ thuật là bài toán đơn giản về nguyên lý,

nhưng các vấn đề cụ thể trong một tổng thể phức tạp giữa vấn đề mưa, lũ trên sông, triều từ biển Đông là những vấn đề vẫn chưa có lời giải rõ ràng và cần phải có đầu

tư nhất định Bài toán kinh tế có lẽ là bài toán gây đau đầu nhất cho các nhà quản lý Vốn đầu tư lớn là vấn đề khó khăn trong điều kiện nền kinh tế hiện nay Tuy nhiên, một số giải pháp kỹ thuật cụ thể cần được xem xét có thể (i) Tôn nền với khu vực cục bộ nhỏ, lẻ và (ii) Bơm tiêu với khu vực tập trung

Ngập úng do ảnh hưởng triều: Giải pháp ngăn triều truyền thống là xây dựng

các hệ thống cống, đê, trạm bơm hoặc kết hợp cả hai vừa cống vừa đê để ngăn đỉnh triều Bên cạnh đó, nghiên cứu lợi dụng triều chân triều để tiêu nước là một trong những giải pháp cần được xem xét

Ngập úng do lũ: TP Hồ Chí Minh nằm ở hạ lưu chịu tác động trực tiếp của lũ

từ các sông Đồng Nai, sông Sài Gòn Ngoài biện pháp lên đê, xây cống để ngăn nước lũ không cho ảnh hưởng đến vùng tiêu, thì việc phối hợp với các cơ quan quản

lý hệ thống các công trình hồ chứa lớn ở thượng lưu nhằm làm giảm đến mức thấp nhất lượng nước lũ xả trong các thời kỳ mưa lớn, triều cường là vấn đề cần được nghiên cứu sâu hơn

Trên địa bàn TP Hồ Chí Minh thời gian qua đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu

và dự án được triển khai để giải quyết các vấn đề về thoát nước và kiểm soát ô nhiễm, cải thiện môi trường và phát triển đô thị Những nghiên cứu có thể phân thành hai loại là quy hoạch tổng thể và dự án giải quyết vấn đề cục bộ ở lưu vực tiêu nước cụ thể Điển hình có Dự án cải thiện môi trường kênh Hàng Bàng (do Ngân hàng phát triển Châu Á tài trợ thực hiện) [4]

1.1.5.2 Quy hoạch tổng thể và Nghiên cứu khả thi hệ thống thoát nước đô thị và nước

thải TP Hồ Chí Minh

Quy hoạch tổng thể và Nghiên cứu khả thi hệ thống thoát nước đô thị và nước thải TP Hồ Chí Minh [1] là dự án do cơ quan JICA Nhật Bản thực hiện (gọi tắt là Quy hoạch JICA), được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt theo Quyết định số 752/QĐ-TTg ngày 19/6/2001, nghiên cứu trên một diện tích xấp xỉ 650km2 bao gồm khu vực đô thị hiện hữu khoảng 140km2

và khu vực xung quanh khoảng 510km2

Mục tiêu nghiên cứu là thiết lập một quy hoạch tổng thể mục tiêu đến năm

2020 cho việc cải thiện hệ thống thoát nước đô thị và nước thải TP Hồ Chí Minh, và xác định dự án ưu tiên

Theo Quy hoạch JICA thì toàn thành phố chia làm 6 lưu vực thoát nước mưa

và 9 lưu vực thoát nước thải

Sáu lưu vực thoát nước mưa bao gồm: vùng trung tâm (vùng C), vùng Bắc (vùng N), vùng Tây (vùng W), vùng Nam (vùng S), vùng Đông Bắc (vùng NE), vùng Đông Nam (SE) Bản đồ vị trí các vùng trong Hình 1-4

Hình 1-4: Bản đồ 6 lưu vực thoát nước mưa

Về ứng dụng mô hình toán: Dự án quy hoạch này quan tâm giải quyết chủ

yếu vấn đề tiêu thoát nước mưa và nước thải khu trung tâm thành phố có hệ thống cống ngầm tiêu thoát nước và bề mặt được đô thị hóa mức cao nên tư vấn đã dùng

mô hình thủy lực MOUSE để mô phỏng dòng chảy do mưa nhập vào các hố ga và tiêu thoát ra sông Mực nước tại cửa cống trên các sông kênh được phân tích bằng phương pháp phân tích thống kê thủy văn dựa trên số liệu các trạm đo mực nước ở khu vực thành phố làm điều kiện biên cho mô hình cống MOUSE Phương án quy hoạch cải tạo kênh được đánh giá bằng mô hình thủy lực Mike11 Hiện nay, những vấn đề về đô thị hóa, lên đê bao, vận hành điều tiết hồ chứa thượng lưu và nước biển dâng là thay đổi điều kiện tính toán trong quy hoạch này

1.1.5.3 Quy hoạch thủy lợi chống ngập TP Hồ Chí Minh

Dự án Quy hoạch chống ngập TP Hồ Chí Minh [1] do tổ tư vấn chống ngập thuộc Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (gọi tắt là Quy hoạch chống ngập-

Bộ NN), được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại Quyết định số 1547/TTg, thực

hiện trên địa bàn thành phố với diện tích rộng 209.500 ha và vùng phụ cận bao gồm

hạ du các sông: Đồng Nai từ hồ Trị An đến biển rộng 235.000 ha, sông Sài Gòn từ

hồ Dầu Tiếng đến TP Hồ Chí Minh với diện tích 243.000 ha, sông Vàm Cỏ Đông với diện tích 281.000 ha Tổng diện tích vùng 968.500 ha

Mục tiêu quy hoạch nhằm đề xuất các biện pháp kiểm soát lũ, kiểm soát triều nhằm giải quyết bài toán chống úng ngập cho toàn thành phố trong điều kiện có lũ lớn ở thượng lưu và nước biển dâng trong tương lai; Đề xuất biện pháp kiểm soát triều nhằm hạ thấp mức nước triều, tăng cường khả năng tiêu thoát của hệ thống công trình thoát nước đô thị ở những vùng đô thị cũ nằm trên địa hình thấp; Định hướng các khung trục tiêu cho khu vực nội thành và vùng ven; Xem xét việc kết hợp vận hành công trình kiểm soát nước với việc cải thiện môi trường kênh rạch, cải tạo các vùng đất phèn và các mục tiêu thủy lợi khác

Các mục tiêu trên được thực hiện nhờ một hệ thống đê bao dọc bờ trái sông Sài Gòn tạo thành một vòng gần khép kín, ôm trọn lấy khu vực nội thị và một phần vùng ven, và 12 cống chính có tác dụng quyết định đến khả năng kiểm soát mức nước và cải thiện môi trường nước trong khu vực nghiên cứu

Về ứng dụng mô hình toán: Đối tượng nghiên cứu của dự án là giải pháp

công trình ngăn triều và lũ nhằm giảm mực nước trên hệ thống kênh trục của thành phố, hạn chế ngập úng do triều ở vùng ven và ngoại thành đồng thời tăng khả năng tiêu thoát nước mưa của các hệ thống cống ngầm khu trung tâm Mô hình toán Mike11 được sử dụng để mô phỏng các phương án lên đê bao bảo vệ khu ven và ngoại thành, xây cống ngăn lũ-triều kiểm soát mực nước trên kênh rạch Trong các phương án tính toán tiêu thoát nước coi hệ thống cống ngầm khu trung tâm có khả năng tiêu thoát nước mưa kịp thời với các trận mưa thiết kế

1.1.5.4 Nghiên cứu đề xuất giải pháp chống ngập cho TP Hồ Chí Minh

Đề tài Nghiên cứu đề xuất giải pháp chống ngập cho TP Hồ Chí Minh [4] do

GS Lê Sâm chủ nhiệm và Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam chủ trì thực hiện năm 2009-2010 Đề tài rà soát đánh giá những giải pháp chống ngập của hai dự án quy hoạch tổng thể trên đây và đề xuất những giải pháp tổng thể cho bài toán chống

ngập TP Hồ Chí Minh như:

Giải pháp công trình kiểm soát lũ thượng lưu: Đề xuất giải pháp phối hợp

vận hành điều tiết hồ chưa thượng nguồn và phân lũ thượng nguồn từ sông Sài Gòn qua rạch Tra và từ sông Đồng Nai qua sông Đồng Môn-Thị Vải để giảm ngập úng

hạ du

Giải pháp công trình kiểm soát lũ vòng ngoài: Hạn chế xâm nhập của thuỷ

triều từ biển Đông qua cửa Soài Rạp và sông Lòng Tàu vào khu vực phía Nam thành phố và kiểm soát triều qua cửa sông Sài Gòn để hạ thấp mực nước đỉnh triều, tăng cường khả năng tiêu thoát nước và nâng cao dung tích trữ của hệ thống kênh rạch đáp ứng yêu cầu chống ngập của TP Hồ Chí Minh; Xây dựng công trình co hẹp dòng chảy tại cửa Soài Rạp ở hai vị trí (đoạn sông cửa Soài rạp trước và sau ngã ba sông Vàm Cỏ) kết hợp với việc có và không có xây dựng cống kiểm soát triều ở cửa sông Sài Gòn

Giải pháp giảm khả năng truyền triều từ sông Soài rạp bằng cống ngăn triều trên sông Soài rạp của GS Nguyễn Tất Đắc, trong tính toán đã sử dụng DELTA cho

sơ đồ toàn Đồng bằng gồm cả hệ thống Đồng Nai-Sài Gòn

Giải pháp kiểm soát lũ vòng trong: Sử dụng hệ thống cống kiểm soát triều hạ

thấp mực nứơc triều cao để tăng cường năng lực tiêu thoát của hệ thống tiêu nước (các quận 6, 7, 8), hệ thống Tân Hoá – Lò Gốm, Tham Lương – Bến Cát, kênh Đôi – kênh Tẻ, Tàu Hủ - Bến Nghé; Ngăn mặn xâm nhập vào toàn vùng Biện pháp công trình như trình bày trong Quy hoạch tổng thể-Bộ NN Đây là giải pháp được nghiên cứu phân tích kỹ lưỡng trong khuôn khổ đề tài

Giải pháp công trình chống ngập từ xa: Xây dựng tuyến đê biển nối từ Vũng

Tàu đến Gò Công nhằm chống lũ lụt và ngập úng cho toàn vùng TP Hồ Chí Minh trước mắt và lâu dài, tăng cường khả năng thoát lũ, chống ngập úng, chống xâm nhập mặn cho TP Hồ Chí Minh và vùng Đồng Tháp Mười trong điều kiện biến đổi khí hậu và nước biển dâng; Phòng chống thiên tai và các tác động từ biển cho toàn

bộ khu vực TP Hồ Chí Minh và vùng Đồng Tháp Mười

Về ứng dụng mô hình toán: Một số đề tài sử dụng cả hai phần mềm

Mike11 để tính toán các phương án công trình cống trên sông và hệ thống đê bao kiểm soát mực nước lũ và triều trên sông kênh và mô hình MOUSE để tính toán một số hệ thống cống ngầm tiêu thoát nước khu trung tâm Mô hình Mike11 cũng giả thiết hệ thống cống ngầm tiêu thoát nước mưa vùng trung tâm tốt Mô hình MOUSE sử dụng kết quả tính toán mực nước sông kênh tại cửa cống tiêu theo các phương án tính toán khác nhau là điều kiện biên cho mô hình cống ngầm

1.1.5.5 Dự án cải thiện môi trường Kênh Tàu Hủ-Bến Nghé và Kênh Đôi–Tẻ

Dự án cải thiện môi trường TP Kênh Tàu Hủ - Bến Nghé và Kênh Đôi – Kênh Tẻ [11] do Sở Giao thông Công Chánh thực hiện năm 1997 Dự án đã trình Chính phủ thông qua ngày 3/2/2000 Dự án chia làm 2 giai đoạn thực hiện: giai đoạn 1 từ năm 2001 đến năm 2006, giai đoạn 2 từ năm 2006 đến năm 2010 Mục tiêu của dự án là cải thiện điều kiện môi trường nước thông qua việc cải tạo kênh, các hệ thống thoát nước mưa và nước thải, góp phần cải thiện điều kiện sống của người dân khu vực các quận 1, 3, 5, 10 và 11 Đồng thời, dự án nạo vét các kênh và làm kè bờ kênh Tàu Hủ, Bến Nghé, tạo cảnh quan sạch đẹp hai bên bờ kênh

Ứng dụng mô hình toán: Trong quá trình thực hiện dự án nhà tư vấn PCI

rất quan tâm đến mô hình thủy lực-chất lượng nước phục vụ tính toán các phương

án cải tạo kênh rạch và xử lý nước thải thu gom từ các hộ dân và khu công nghiệp trong lưu vực kênh Tàu Hủ-Bến Nghé và kênh Đôi-kênh Tẻ để xử lý tại nhà máy tại huyện Nhà Bè

Mô hình MOUSE được dùng để mô phỏng hệ thống cống thoát nước mưa và cống thu gom nước thải sinh hoạt và công nghiệp Điều kiện biên của mô hình là mực nước trên sông kênh tại các cửa cống

Mô hình Mike11-WQ được dùng để mô phỏng diễn biến chất lượng nước trên các sông kênh khu vực Nam thành phố bao gồm các kênh Tàu Hủ-Bến Nghé, Kênh Đôi-Kênh Tẻ, sông Ông Lớn, Cây Khô, Phú Xuân, Mương Chuối, Bà Lớn và một phần sông Bến Lức, Cần Giuộc Dự án đã tiến hành đo đạc lưu lượng dòng chảy, mực nước, một số chỉ tiêu chất lượng nước trong thời kỳ hai tuần khoảng tháng 5/2000 tại 22 điểm đo trên sông Sài Gòn, Nhà Bè và các kênh rạch nói trên ở

khu vực Nam TP Hồ Chí Minh để làm điều kiện biên và số liệu kiểm định mô hình Mike11-WQ

1.1.6 Nhận xét về ứng dụng các mô hình toán trong các dự án chống ngập

Qua xem xét việc thực hiện các dự án, đề tài thấy rằng những dự án quy hoạch tổng thể tiêu nước TP Hồ Chí Minh, dự án cải tạo môi trường nước Nam thành phố và đề tài nghiên cứu khoa học đã sử dụng cả hai mô hình toán là mô hình thủy lực sông kênh và mô hình cống ngầm đô thị nhằm giải quyết vấn đề tính toán tiêu thoát nước đô thị Những nghiên cứu lập các mô hình một cách riêng biệt, sử dụng tính toán mô hình cống ngầm làm đầu vào cho bài toán thủy lực sông kênh và

sử dụng kết quả tính toán thủy lực sông kênh làm điều kiện biên cho bài toán cống ngầm Với cách thức tính toán như vậy sẽ giả thiết những điểu kiện nhất định đối với mỗi bài toán Chẳng hạn, các phương án của bài toán thủy lực sông kênh coi kết quả mô hình tính toán cống ngầm như nhau trong các trường hợp, thực tế sự thay đổi mực nước kênh làm thay đổi lượng dòng chảy từ hệ thống cống ngầm các phương án Đối với mô hình cống ngầm khi thay đổi các phương án cải tạo hay bổ sung cống thoát nước đã coi mực nước tại cửa cống là điều kiện biên có quá trình xác định không biến đổi, không phụ thuộc lượng nước tiêu thoát từ hệ thống cống Việc tách rời hai mô hình gây sai số nhất định đến kết quả tính toán cũng như làm phức tạp các phương án kết hợp giải pháp cống ngăn triều trên sông kênh và biện pháp cải tạo cống ngầm thoát nước mưa

Dự án quy hoạch tổng thể-JICA chủ yếu sử dụng mô hình cống ngầm, ít chú trọng mô hình thủy lực sông kênh nên đã bộc lộ nhược điểm về thông số mực nước thiết kế khi chưa xem xét toàn diện các tác động ngoại lai như vận hành điều tiết lũ thượng nguồn, nước biển dâng từ biển hay các phương án chống ngập bằng công trình ngăn triều đối với hệ thống cống ngầm

Dự án Quy hoạch chống ngập (Bộ NN&PTNT) sử dụng mô hình thủy lực sông kênh xem xét các phương án ngăn triều tạo điều kiện cho bài toán tiêu thoát nước từ cống ngầm mà chưa xem xét khả năng tiêu nước của các hệ thống cống ngầm với điều kiện mực nước sông kênh một mức độ hợp lý

Đề tài nghiên cứu khoa học về giải pháp tiêu nước cho thành phố xem xét các phương án tổng thể từ điều kiện điều tiết lũ thượng nguồn, triều biển và mưa nội vùng nhưng sử dụng chủ yếu là mô hình thủy lực sông kênh nghiên cứu các giải pháp và dùng mô hình cống ngầm cho một số khu vực đô thị trung tâm Đề tài đánh giá nghiên cứu nối ghép mô hình cống ngầm và thủy lực sông kênh là phương pháp mới trong tính toán tiêu thoát nước đô thị [4]

Trong các mô hình ứng dụng thì việc tính toán mưa-dòng chảy đều được tính toán riêng biệt (theo các công thức thực nghiệm phổ biến như Cường độ giới hạn) hay tính bằng mô hình mưa-dòng chảy (dạng NAM hay Urban) và nhập lưu vào các nút kênh, cống hay nút trữ của mô hình Kết quả tính toán phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm chuyên gia vì các khu vực đô thị không có số liệu đo dòng chảy để kiểm nghiệm kết quả tính toán mưa-dòng chảy

Các nhà khoa học khi quan tâm giải quyết bài toán tiêu thoát nước vòng ngoài (cống trên kênh) đã luận chứng phương pháp khoa học phân lớp bài toán vòng ngoài với bài toán vòng trong (cống ngầm) bởi bài toán vòng trong còn nhiều yếu tố chưa xác định nên chưa giải quyết bài toán vòng trong một cách đồng bộ, đồng thời cũng khẳng định nếu liên hợp được cả hai bài toán vòng ngoài và vòng trong thành mô hình tổng hợp thì thật hoàn hảo Ý tưởng này sẽ được hiện thực hoá bằng công cụ mô hình DELTA-P mô phỏng đồng thời cả hệ thống sông kênh và cống ngầm

Quan điểm tiếp cận mô hình hóa hệ thống tiêu nước đô thị gồm: (i) Mô hình một chiều (1D) ứng dụng cho các hệ thống có dòng chảy một chiều trong lòng dẫn

và (ii) Mô hình hai chiều (2D) ứng dụng mô phỏng hệ thống có cả dòng chảy tràn theo hướng ngang Hệ thống cống ngầm và sông kênh hở thường được mô phỏng dạng 1D Dòng chảy tràn bề mặt phố có thể mô phỏng dạng 1D hay 2D

Ở Việt Nam trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu chống ngập úng đô thị với các giải pháp trạm bơm tiêu nước mưa (Hà Nội), đê bao chống lũ (Đà Nẵng) và công trình tổng hợp (cải tạo kênh, cống ngầm, đê bao, cống ngăn triều, trạm bơm tiêu) ở TP Hồ Chí Minh

Hình 1-5: Sơ đồ các thành phần trong hệ thống thoát nước đô thị và các mô hình áp dụng

1.2 CÁC MÔ HÌNH TOÁN TÍNH TIÊU THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ

1.2.1 Một số khái niệm

1.2.1.1 Chu trình thuỷ văn và ảnh hưởng của đô thị hóa

Chu trình thuỷ văn được trình bày theo nhiều dạng, nhưng tiêu chí chung đều giống nhau là minh hoạ các bước chuyển biến dòng nước mưa từ khí quyển rơi xuống bề mặt đất và chảy ra sông biển qua các bước chảy trung gian (Hình 1-6), trong đó có thành phần bốc hơi nước trở lại không khí để bắt đầu một chu trình mới

Hình 1-6: Sơ đồ chu trình thuỷ văn lưu vực chưa đô thị hoá

Ở khu vực đô thị hoá chu trình thuỷ văn bị điều chỉnh khá nhiều do hệ thống tiêu thoát nước, khu trữ và điều tiết nhân tạo; bề mặt đất bị bê tông hoá làm giảm lượng thấm xuống tầng nước ngầm và các giếng khai thác nước ngầm cho sinh hoạt

và công nghiệp hậu quả là giảm tầng nước ngầm gây sụt lún đất, tăng dòng chảy mặt gây úng ngập; lượng nước bổ sung do nước cấp, nước thải Chu trình thuỷ văn

đô thị được mô tả trong Hình 1-7 với phần hệ thống hạ tầng tiêu thoát và điều tiết nước đặc thù của đô thị là các ô màu đậm trong sơ đồ

Hình 1-7: Sơ đồ chu trình thuỷ văn lưu vực đô thị

Vai trò của lưu vực trong tiêu thoát nước đô thị: Vấn đề quan trọng liên

quan đến thuỷ văn đô thị là việc tính toán tiêu thoát nước bởi bề mặt đất bị biến đổi (bê tông hoá; san lấp hệ thống sông kênh, ao hồ) làm gia tăng dòng chảy bề mặt, giảm lượng thấm và trữ

Tính chất thủy văn lưu vực đô thị: Lưu vực (hay vùng tạo dòng chảy) đô thị được phân định bởi điều kiện địa hình phân chia dòng chảy bề mặt và sự ảnh hưởng của địa vật tự nhiên hay do con người xây dựng như tuyến đường giao thông

Hình 1-8: Các đặc trưng thủy văn của lưu vực đô thị

Nguồn: [J.C.Y Guo, 2006] [20]

Lượng dòng chảy từ mưa do lưu vực tạo ra phụ thuộc vào các đặc trưng lưu vực như các loại hình tổn thất, tính chất đất, các khu trữ và bề mặt bê tông hóa Sự tập trung dòng chảy phụ thuộc vào các yếu tố như hình dạng, độ dốc lưu vực và thảm phủ bề mặt lưu vực Hình 1-8 mô tả một số đặc tính lưu vực như:

- Khu trữ trũng tự nhiên làm chậm dòng chảy mặt;

- Khu điều tiết nhân tạo làm giảm lượng dòng chảy;

- Đường cao tốc làm cản trở dòng chảy bề mặt và có thể làm thay đổi ranh giới lưu vực nếu không có cống qua đường;

- Một số yếu tố khác như hệ thống cống ngầm tiêu nước, địa vật bề mặt, tỷ

lệ bê tông hóa bề mặt cũng sẽ làm thay đổi tính chất dòng chảy bề mặt lưu vực

Để tính toán lượng dòng chảy mặt lưu vực ngoài việc xác định đúng ranh giới lưu vực còn phải chọn những phương pháp tính toán thích hợp

1.2.1.2 Chu trình dòng chảy trong đô thị

Sơ đồ Hình 1-9 diễn tả chu trình dòng chảy mưa lũ (các mũi tên) tập trung xuống đường phố và chảy lan tràn theo các tuyến đường và tập trung vào miệng hố

ga, chảy vào đường cống ngầm và tiêu ra hồ trữ hay sông kênh

Hình 1-9: Diễn biễn dòng chảy mưa lũ trên đô thị

Nguồn: [J.C.Y Guo, 2006]

Những năm gần đây một số cơ quan nghiên cứu khoa học và cơ quan tư vấn quy hoạch đô thị sử dụng phần mềm mưa-dòng chảy đô thị (MIKE RR), thuỷ lực sông kênh và thủy lực đường ống để mô phỏng hệ thống tiêu thoát nước nhằm tìm được các phương án tiêu thoát nước phù hợp Mô hình được ứng dụng khá rộng rãi ngoài nước như SWMM, mô hình họ MIKE (MOUSE, URBAN và FLOOD) và mô hình đang phát triển trong nước như F28

Với mô hình tiêu thoát nước đô thị cần có các mô hình thành phần như mô hình thủy văn đô thị, mô hình đường ống, mô hình kênh sông và sự nối kết giữa các

mô hình thành phần

Trong mục 1.2.3 luận án giới thiệu các mô hình SWMM, họ mô hình MIKE,

và mô hình F28

1.2.2 Một số mô hình thủy văn đô thị

Trong tính toán thuỷ văn (mưa-dòng chảy) đô thị có các phương pháp tính toán, thường đi cùng với bộ mô hình thuỷ lực đường ống, bao gồm cả công thức kinh nghiệm và mô hình toán Điều kiện áp dụng của mỗi phương pháp có độ chính xác khác nhau tùy thuộc vào mức độ chi tiết của phương pháp tính đồng thời với yêu cầu chi tiết của tài liệu cho tính toán Một số phương pháp tính toán phổ biến như sau:

1.2.2.1 Phương pháp kinh nghiệm

- Phương pháp căn nguyên dòng chảy (Rational) [22]:

(trong đó: K là hệ số chuyển đổi đơn vị, C là hệ số dòng chảy, I là cường độ mưa và, F là diện tích lưu vực) Công thức thường dùng để tính lưu lượng đỉnh lũ cho lưu vực nhỏ dưới 80ha với ít dung tích trữ Hệ số dòng chảy kinh nghiệm được xác định cho 30 loại bề mặt lưu vực đô thị Công thức này có nhược điểm không tính được tổng lượng dòng chảy của trận mưa

1.2.2.2 Phương pháp mô hình thuỷ văn Viện Thuỷ lực Đan Mạch (Mike-RR)

Bộ mô hình thuỷ lực của Viện Thuỷ lực Đan Mạch rất nổi tiếng trên thế giới với các mô hình thuỷ lực như Mike11, Mike21, Mike3, Mike SHE và Mike Flood nhằm mô phỏng chế độ thuỷ lực 1, 2 và 3 chiều và chất lượng nước trong hệ thống sông kênh, hồ chứa, cửa sông ven biển và mối liên quan nước mặt và tầng nước ngầm Trong mỗi mô hình khi mô phỏng thuỷ lực sông có gắn với lưu vực sông cần

sử dụng các mô hình thuỷ văn Các mô hình thuỷ văn được sử dụng trong bộ mô hình gồm:

a) Mô hình mưa-dòng chảy NAM [15]

NAM là mô hình mưa-dòng chảy khái niệm, tất định và thông số gộp NAM

mô tả lưu vực với 4 tầng chứa thuộc tầng bề mặt và tầng rễ cây NAM có 9 thông số

mô tả đặc tính thuỷ văn bề mặt, tầng rễ cây và tầng nước ngầm

Các thông số dòng chảy mặt gồm Hệ số dòng chảy mặt và Hằng số thời gian diễn toán dòng chảy (Overland flow runoff coeff và Time constant for routing interflow) Cấu trúc và các thông số trong mô hình NAM như vậy không phù hợp với lưu vực đô thị vì không có thông số phản ánh tính chất đặc thù của bề mặt lưu vực đô thị được phân chia thành các bộ phận nhỏ bởi hạ tầng đô thị và có mức độ thấm nước rất khác nhau do sự bê tông hóa

b) Mô hình biểu đồ đơn vị mưa-dòng chảy (UHM) [15]

Mô hình biểu đồ đơn vị sẽ dùng để tính toán dòng chảy từ mưa lưu vực trong trường hợp không có số liệu đo dòng chảy trên sông và ở lưu vực đó đã thiết lập biểu đồ đơn vị Mô hình gồm có một số biểu đồ đơn vị để tính dòng chảy từ các trận mưa đơn lẻ Mô hình chia lượng mưa thành hai thành phần là lượng nước tạo dòng chảy và lượng nước tổn thất do thấm

Mô hình biểu đồ mưa đơn vị có thể áp dụng tính mưa đô thị Nhưng trước hết phải lập biểu đồ mưa đơn vị

Tuy nhiên khi mô phỏng lưu vực đô thị với các kịch bản đô thị hoá khác nhau thì mô hình biểu đồ đơn vị thiếu thông số để tính toán chính xác

c) Mô hình mưa-dòng chảy SMAP [15]

SMAP là mô hình mưa-dòng chảy dạng khái niệm thông số gộp SMAP thiết

kế để tính dòng chảy dựa trên số liệu mưa tháng Mô hình để dùng cho các nghiên cứu quy hoạch lưu vực hay tính toán điều tiết hồ chứa Với chức năng như vậy SMAP không thích hợp cho tính toán thủy văn đô thị

d) Mô hình mưa-dòng chảy Urban [15]

Với tên Urban (đô thị), mô hình này có nghĩa được thiết kế để tính toán thuỷ văn đô thị Mô hình có hai dạng, dạng A-sử dụng phương pháp tỷ lệ Thời gian/diện tích, dạng B-sử dụng phương pháp hồ phi tuyến (sóng động học)

Hình 1-10: Giao diện nhập

thông số lưu vực mô hình

Urban-A

Mô hình (model) Urban-A mô tả lưu vực (catchment) với lệ diện tích không

thấm (impervious area) và có các thông số cơ bản như thời gian tập trung dòng chảy (time of concentration), tổn thất ban đầu (initial loss), hệ số triết giảm (reduction factor) và chọn dạng đường quan hệ thời gian-diện tích (time area curve) Giao diện

mô hình như Hình 1-10

Hình 1-11: Giao diện nhập

thông số lưu vực mô hình

Urban-B