CHƯƠNG 1 Trước sự biển đổi ngày càng khó lường của khí hậu, sự phát triển mạnh mẽ của đô thị hóa, cùng với hệ thống thoát nước được xây dựng không đồng bộ của đô thị, khiến cho việc tiêu thoát nước trở nên khó khăn hơn rất nhiều. Giải quyết vấn đề thoát nước cho đô thị là một trong những yêu cầu cấp bách hiện nay đối với tất cả các thành phố lớn, vừa và nhỏ. Cần phải áp dụng các phương pháp tính toán phù hợp để tìm ra giải pháp nhằm nâng cao khả năng phục vụ của hệ thống thoát nước, đảm bảo cho đô thị không bị các vấn đề về ngập lụt ảnh hưởng đến quá trình phát triển cũng như không làm ảnh hưởng đến đời sống xã hội của người dân và bền vững cho môi trường. Các phương pháp tính toán sẽ được giới thiệu trong chương 2 của luận văn này.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MƯA ĐÔ THỊ Để có thể tính toán được hệ thống thoát nước mưa cho đô thị, tác giả dựa vào các cơ sở lý thuyết như sau: + Số liệu thu thập, xây dựng mô hình mưa thiết kế cho khu vực. + Tính toán hệ thống thoát nước theo phương pháp mô phỏng hệ thống bằng mô hình SWMM. + Tính toán hệ thống thoát nước bằng phương pháp cường độ giới hạn. MƯA VÀ MƯA THIẾT KẾ Một trận mưa rào tại một vị trí được đặc trưng bởi: + Thời gian mưa (phút, ngày, giờ) + Tổng lượng mưa (mm) + Phân bố mưa theo thời gian Dùng thiết bị đo mưa tự ghi để đo quá trình một trận mưa thực.
Đặc trưng của mưa thiết kế + Chu kỳ lặp lại thiết kế (tần suất mưa) + Thời gian mưa (phút, ngày, giờ) + Độ sâu mưa (lượng mưa, mm) + Biểu đồ quá trình mưa hay phân bố theo thời gian của mưa. Mưa thiết kế có thể tính toán dựa trên cơ sở các số liệu đo đạc về mưa trong nhiều năm tại một địa điểm. Các bước thực hiện khi thiết kế hệ thống thoát nước mưa + Bước 1: Xác định lưu lượng thiết kế cống theo công thức cường độ giới hạn, từ đó sơ bộ chọn đường kính, độ dốc, cao trình đặt cống… + Bước 2: Mô phỏng quá trình mưa và dòng chảy để kiểm tra hệ thống (sử dụng trận mưa thiết kế làm thông số đầu vào và sử dụng một mô hình tính toán mưa – dòng chảy). Nếu hệ thống không đạt yêu cầu thì điều chỉnh lại đường kính, độ dốc, cao trình đáy cống,… và lặp lại cho đến khi đạt yêu cầu.
Quan hệ giữa độ sâu mưa - thời gian mưa - tần suất Quan hệ giữa độ sâu mưa - thời gian mưa - tần suất (Depth - Duration - Frequency) được viết tắt là DDF. + Quan hệ DDF thông thường được biểu diễn dưới dạng đồ thị, trong đó thời gian mưa được đặt trên trục hoành, độ sâu mưa đặt trên trục tung và các đường cong tương ứng với tần suất (thời kỳ xuất hiện lại). + Để xây dựng quan hệ DDF, ta thực hiện các bước sau: - Đối với mỗi thời gian mưa, ta tiến hành phân tích tần suất để tính các độ sâu mưa thiết kế ứng với các chu kỳ lặp lại khác nhau. - Sử dụng phương pháp phân tích hồi quy sẽ xây dựng được quan hệ độ sâu mưa và thời gian mưa ứng với từng tần suất (chu kỳ lặp lại).
Bằng phương pháp hồi quy, có thể xây dựng quan hệ DDF dưới dạng công thức sau: H = f(d, T) (Độ sâu mưa = hàm số của thời gian mưa và chu kỳ lặp lại) Dựa trên số liệu đo mưa, tác giả Nguyễn Tuấn Anh (2009) đã nghiên cứu xây dựng quan hệ DDF cho 06 vùng ở đồng bằng Bắc Bộ như sau: 14 Trong đó: H d (T) = Lượng mưa (mm) D = thời gian mưa (giờ) T = Chu kì lặp lại (năm) b1, c1, b2, c2, e1, f1, e2, f2, a, b là các tham số được cho trong bảng 2.1: Giá trị tham số của đường DDF 2. Quan hệ cường độ mưa - thời gian mưa - tần suất Quan hệ cường độ mưa - thời gian mưa - tần suất (Intensity - Duration – Frequency) được viết tắt là IDF. Các độ sâu mưa thiết kế được chuyển thành cường độ mưa theo công thức sau: i = h/d = A/dn (mm/h) Quan hệ IDF có dạng như hình sau: 15 Hình 2.1: Mối quan hệ IDF 2. Xác định mô hình mưa thiết kế Mô hình mưa thiết kế (MHMTK) là quá trình mưa phân bố theo thời gian.
Một số phương pháp xác định MHMTK điển hình như sau: a. Xác định mô hình mưa thiết kế dựa trên trận mưa điển hình Phương pháp này dựa trên quan điểm mưa các thời khoảng dài có chứa mưa thời khoảng ngắn. Chọn mô hình mưa điển hình theo các yêu cầu sau: + Trận mưa lớn đã xảy ra gây ngập úng lớn trong thực tế, đại biểu cho một nguyên nhân gây mưa úng nhất định trong khu vực. + Có thời gian mưa hiệu quả bằng hoặc xấp xỉ thời gian mưa tính toán.
+ Có lượng mưa toàn trận bằng hoặc xấp xỉ lượng mưa trong thời khoảng khống chế ứng với tần suất thiết kế. Thu phóng mô hình mưa điển hình thành mô hình mưa tiêu thiết kế bằng cách nhân các giá trị tung độ của mô hình mưa điển hình với hệ số thu phóng K, xác định theo công thức sau: 16 K=Xp/Xđh Trong đó: Xp: Lượng mưa thiết kế với tần suất P Xđh: Lượng mưa của trận mưa điển hình b. Phương pháp khối xen kẽ Phương pháp này được đề xuất bởi Chow (1988) + Mô hình mưa thiết kế được xác định từ một đường cong quan hệ IDF hoặc quan hệ DDF. + Mô hình mưa này được đặc trưng bởi độ sâu mưa xuất hiện trong n khoảng thời gian kế tiếp nhau trên tổng thời gian mưa: Td = n*Δt Các bước xây dựng mô hình mưa thiết kế: + Sau khi lựa chọn chu kì xuất hiện lại trận mưa thiết kế, ta đọc cường độ mưa i cho mỗi thời gian mưa Δt, 2Δt, 3Δt…từ một đường IDF tương ứng với chu kỳ xuất hiện lại đã chọn và tính độ sâu mưa tích lũy (h) bằng cách nhân cường độ mưa với thời gian mưa (h = i*t).
+ Lấy hiệu số giữa hai giá trị liên tiếp của độ sâu mưa lũy tích, ta sẽ tính được độ sâu mưa thiết kế ứng với mỗi Δt và được gọi là các khối: (h(n* Δt)-h((n-1) Δt). + Các khối được sắp xếp với cường độ mưa lớn nhất được xếp ở giữa hoặc ở thời gian xuất hiện đỉnh, các khối còn lại được sắp xếp theo thứ tự giảm dần và được chia đều ở bên phải và bên trái của khối trung tâm.2: Mô hình mưa thiết kế xây dựng theo phương pháp khối xen kẽ c. Phương pháp mô hình mưa tam giác Phương pháp này được đề xuất bởi Yen và Chow (1980) Với mô hình mưa tam giác có cạnh đáy là thời gian mưa Td, chiều cao h là cường độ mưa. Khi biết độ sâu mưa P và thời gian mưa Td ta xác định được cường độ mưa là chiều cao h.3: Mô hình mưa thiết kế xây dựng theo phương pháp tam giác 18 Hệ số rước đỉnh r, là tỉ số của thời gian xuất hiện đỉnh mưa (ta) so với tổng thời gian mưa (Td).
Giá trị thích hợp của r được xác đinh bằng cách tính toán tỷ số của thời gian xuất hiện đỉnh so với tổng thời gian mưa của nhiều trận mưa thực đo với thời gian mưa khác nhau và lấy giá trị trung bình theo trọng số thời gian mưa của các tỷ số đó. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC Ngày nay việc phát triển ngành công nghệ thông tin với sự trợ giúp của máy tính điện tử thì việc tính toán tiêu thoát nước trở lên đơn giản hơn với những mô hình toán hiện đại mô phỏng hệ thống thoát nước đô thị. Mô hình không những có thể xác định được lưu lượng đỉnh mà còn xác định được tổng lưu lượng dòng chảy. Trong những năm gần đây, các dự án tiêu thoát nước của các thành phố lớn như Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng mô hình toán hiện đại đã được áp dụng trong nghiên cứu tính toán tiêu thoát nước.
Mộ số mô hình tính toán tiêu thoát nước mưa đô thị như: mô hình MOUSE, mô hình HYDROWORKS, mô hình SWMM… Các mô hình đều có khả năng kiểm tra hoặc thiết kế hệ thống tiêu thoát nước. Tuy nhiên các mô hình lại có những nhược điểm (mô hình MOUSE - Modelling of Urban Sewers) : + Phần mềm tương thích với GIS + Yêu cầu cơ sở dữ liệu cao, chính xác. + Không mô phỏng được tuyến cống ghép đôi, chạy song song. + Có bản quyền, mua mất rất nhiều tiền.
Trong khi mô hình SWMM lại yêu cầu số liệu đầu vào đơn giản, dễ thu thập, có khả năng mô phỏng tuyến cống ghép đôi. Là phần mềm miễn phí và được sử dụng nhiều nước. Giới thiệu mô hình SWMM Mô hình SWMM (Storm Water Management Model) là mô hình động lực học mô phỏng mưa – dòng chảy cho các khu đô thị cả về chất và lượng, và tính toán quá trình dòng chảy trên các đường dẫn. Mô hình có thể mô phỏng với một trận mưa đơn lẻ hoặc nhiều trận mưa liên tiếp trong thời gian dài.
SWMM ra đời từ năm 1971, cho đến nay đã trải qua nhiều lần nâng cấp. Mô hình SWMM được sử dụng rộng rãi trên thế giới cho các công tác quy hoạch, phân tích và thiết kế các hệ thống thoát nước mưa, hệ thống thoát nước chung, hệ thống thoát nước thải và những hệ thống tiêu khác trong vùng đô thị cũng như những vùng không phải đô thị. Các khả năng của mô hình SWMM SWMM tính toán được nhiều quá trình thủy lực khác nhau tạo thành dòng chảy, bao 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 địa hình lõm có khả năng chứa nước; - Ngấm của nước mưa xuống các lớp đất chưa bão hòa; - Nước thấm từ nước mặt chảy vào nước ngầm; - Sự trao đổi giữa dòng chảy nước ngầm và hệ thống tiêu; - Chuyển động tuyến của dòng chảy trên mặt đất và ở các hồ chứa phi tuyến; SWMM cũng có những tính năng mềm dẻo của một mô hình thủy lực dùng để diễn toán dòng chảy, nhật lưu trong cống, kênh, hồ, trạm xử lý nước, các công tình phân nước của hệ thống tiêu thoát.
