Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lưu vực Lái Thiêu thuộc thị xã Thuận An, tỉnh Bình Dương là khu vực nằm trong vùng kinh tế trọng điểm phía Nam, tiếp giáp trực tiếp với Thành phố Hồ Chí Minh. Trong hơn hai thập kỷ qua, địa bàn này đã trải qua tốc độ đô thị hóa và công nghiệp hóa nhanh chóng, kéo theo sự gia tăng mạnh mẽ về quy mô dân số và mật độ xây dựng. Sự chuyển dịch cơ cấu sử dụng đất từ đất nông nghiệp sang đất công nghiệp và đất ở đô thị đã làm thay đổi căn bản tính chất mặt đệm, gia tăng tỷ lệ diện tích không thấm và rút ngắn thời gian tập trung dòng chảy mặt.

Song song với quá trình phát triển không gian đô thị, hệ thống hạ tầng thoát nước tại lưu vực chưa được đầu tư xây dựng đồng bộ, nhiều tuyến cống và kênh mương vẫn mang đặc tính phục vụ tưới tiêu nông nghiệp trước đây, kích thước nhỏ và đã xuống cấp nghiêm trọng. Tình trạng lấn chiếm hành lang kênh rạch, xả rác bừa bãi và bồi lắng bùn cặn từ các cơ sở sản xuất gốm gạch làm thu hẹp đáng kể mặt cắt tiêu thoát nước. Đồng thời, chế độ mưa nhiệt đới gió mùa với các trận mưa cường độ cao diễn ra trong thời đoạn ngắn, kết hợp với chế độ bán nhật triều của sông Sài Gòn đã khiến tình trạng ngập úng cục bộ và ngập trên diện rộng diễn ra thường xuyên vào mùa mưa, gây thiệt hại nghiêm trọng về kinh tế và xáo trộn sinh hoạt dân cư (điển hình như trận mưa ngày 17/10/2016 gây tràn hơn 2.000 m bờ bao, làm ngập sâu từ 0,3 m đến 0,6 m tại phường Lái Thiêu và Bình Hòa, ảnh hưởng đến hơn 800 hộ dân và gây thiệt hại ước tính hơn 3 tỷ đồng).

Trước thực trạng đó, đồ án tốt nghiệp kỹ sư ngành Thủy văn của sinh viên Lê Thúy Phượng với đề tài "Ứng dụng mô hình thủy văn mô phỏng dòng chảy do mưa và đề xuất giải pháp giảm ngập cho lưu vực Lái Thiêu – Tỉnh Bình Dương" được thực hiện nhằm cung cấp luận cứ khoa học và định lượng hóa khả năng tiêu thoát nước của hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu:

  1. Áp dụng mô hình mô phỏng dòng chảy do mưa và hệ thống thoát nước cho lưu vực Lái Thiêu, thị xã Thuận An, tỉnh Bình Dương.
  2. Đánh giá khả năng thoát nước mưa của mạng lưới thoát nước hiện hữu trong lưu vực nghiên cứu dưới các kịch bản mưa thiết kế.
  3. Đề xuất các giải pháp công trình và phi công trình nhằm giảm thiểu tình trạng ngập úng, phục vụ định hướng phát triển đô thị bền vững.

Nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Tổng quan tình hình phát triển đô thị của lưu vực Lái Thiêu, thị xã Thuận An, tỉnh Bình Dương.
  2. Tổng quan tình hình ngập và hiện trạng hệ thống thoát nước ở lưu vực nghiên cứu.
  3. Thiết lập mô hình toán SWMM để mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy do mưa và diễn toán thủy lực mạng lưới cống thoát nước cho lưu vực.
  4. Đề xuất và kiểm chứng giải pháp giảm ngập cho lưu vực trên cơ sở kết quả mô phỏng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quá trình hình thành dòng chảy mặt do mưa và khả năng tiêu thoát nước của hệ thống cống, kênh rạch trên lưu vực.
  • Phạm vi không gian: Lưu vực Lái Thiêu thuộc thị xã Thuận An, tỉnh Bình Dương với tổng diện tích tự nhiên khoảng 1.800 ha, bao gồm địa giới hành chính của 4 phường: Lái Thiêu (790 ha), Thuận Giao (1.149 ha), Bình Hòa (1.147 ha) và An Phú (1.091 ha). Lưu vực có giới hạn phía Đông giáp phường Tân Đông Hiệp, Tân Bình (thị xã Dĩ An); phía Tây giáp phường Thạnh Lộc (Quận 12, TP.HCM); phía Bắc giáp các phường An Thạnh, Bình Nhâm, Hưng Định (thị xã Thuận An); phía Nam giáp Quận Thủ Đức (TP.HCM).
  • Phạm vi thời gian: Đồ án khai thác chuỗi số liệu khí tượng thủy văn trạm Tân Sơn Hòa giai đoạn 1952–2007, trạm Thuận An và các trạm lân cận giai đoạn 1990–2008; cập nhật hiện trạng mặt đệm qua các mốc không ảnh năm 2003, 2011, 2015 và 2018; thời điểm hoàn thành đồ án là tháng 12 năm 2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận thuộc loại hình nghiên cứu ứng dụng mô hình toán thủy văn – thủy lực kết hợp điều tra, khảo sát thực địa và phân tích xác suất thống kê chuyên ngành kỹ thuật tài nguyên nước.

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu tổng quan và phân tích 4 phương pháp/mô hình mô phỏng dòng chảy mặt đô thị thông dụng:

  1. Mô hình đường thích hợp (Rational Method): Xác định lưu lượng đỉnh thiết kế theo công thức $Q = \frac{1}{360} C \cdot f \cdot I \cdot A$, áp dụng tính toán nhanh cho các lưu vực nhỏ với thời gian tập trung nước $T_c$.
  2. Mô hình sóng động học (Kinematic Wave Model): Dựa trên hệ phương trình vi phân phi tuyến kết hợp phương trình liên tục $\frac{\partial (A_d \cdot d)}{\partial t} = A \cdot i^* - Q$ và phương trình động lượng dạng Manning $Q = \frac{W}{n} (d - d_p)^{5/3} S_0^{1/2}$, giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn.
  3. Mô hình đường đơn vị (Unit Hydrograph Model - UHM): Biểu diễn biến trình dòng chảy hình thành từ một đơn vị mưa hiệu quả cho từng lưu vực cụ thể.
  4. Mô hình căn nguyên (Isochrone Method): Xác định dòng chảy dựa trên các đường đẳng thời theo công thức sai phân $Q_k = K \sum_{i=1}^k C_i \omega_i H_{k-i+1}$, tích hợp trong phần mềm HEC-HMS.

Đối với quá trình tổn thất mưa (lượng mưa hiệu quả), nghiên cứu phân tích các phương pháp Horton (1933), Green-Ampt (1911), Phillip (1934) và phương pháp số đường cong thực nghiệm SCS.

Trên cơ sở so sánh ưu – nhược điểm của các phương pháp đối với đô thị đang biến đổi mặt đệm nhanh, tác giả lựa chọn mô hình phần mềm EPA SWMM (Storm Water Management Model - phiên bản 5.0) do Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ phát triển. SWMM có khả năng mô phỏng toàn diện chu trình thủy văn đô thị từ quá trình mưa, tổn thất thấm, dòng chảy tràn mặt đất (Runoff Block), diễn toán truyền tải chất bẩn (Transport Block) đến dòng chảy thủy lực không ổn định một chiều trong hệ thống cống kín, mương hở, hố ga và cửa xả (Extran Block) theo các định luật bảo toàn khối lượng và động lượng (phương trình Manning, Hazen-Williams, Darcy-Weisbach).

Hệ số dòng chảy bề mặt tham chiếu

Tác giả trích xuất các thông số hệ số dòng chảy $C$ từ tiêu chuẩn ASCE (1970) để làm cơ sở gán thuộc tính không thấm cho các tiểu lưu vực:

Khu vực / Bề mặt sử dụng đất Hệ số dòng chảy ($C$)
Trung tâm thành phố (thương mại, dịch vụ) 0,70 – 0,95
Khu vực ngoại vi 0,50 – 0,70
Khu công nghiệp nặng 0,60 – 0,90
Khu công nghiệp nhẹ 0,50 – 0,80
Khu dân cư kề nhau 0,60 – 0,75
Khu dân cư đơn lẻ / Ngoại ô 0,25 – 0,50
Mái nhà 0,75 – 0,95
Mặt đường nhựa asphalt hoặc bê tông 0,70 – 0,95
Mặt đường lát gạch 0,70 – 0,85
Bãi cỏ, đất pha cát (độ dốc 2% đến >7%) 0,05 – 0,20
Bãi cỏ, đất sét (độ dốc 2% đến >7%) 0,13 – 0,35

Phương pháp nghiên cứu thực tế đã áp dụng

  • Phương pháp điều tra, thu thập và khảo sát thực địa: Khảo sát mạng lưới thoát nước, các hố ga, vị trí sụp lún, khẩu độ cống dọc Quốc lộ 13, đường Cách Mạng Tháng Tám và hệ thống bờ bao sông Sài Gòn, rạch Lái Thiêu.
  • Phương pháp viễn thám và GIS: Thu thập ảnh vệ tinh Google Earth Pro qua 4 mốc thời gian (2003, 2011, 2015, 2018), xử lý và số hóa bản đồ lớp phủ mặt đệm trên nền tảng phần mềm MapInfo Pro để xác định mức độ bê tông hóa.
  • Phương pháp xác suất thống kê: Xử lý chuỗi số liệu mưa trạm Tân Sơn Hòa (1952–2007) và trạm Thuận An (1990–2007); thiết lập đường quan hệ cường độ – thời gian – tần suất (đường cong IDF); tính toán lượng mưa thiết kế theo phương pháp khối xen kẽ (Alternating Block Method) ứng với tần suất chu kỳ lặp lại $N = 5$ năm và $N = 10$ năm.
  • Phương pháp kế thừa: Kế thừa tài liệu địa chất, thủy văn lưu vực sông Sài Gòn từ Viện Quy hoạch Nông nghiệp và Chi cục Thủy lợi tỉnh Bình Dương.
  • Phương pháp mô hình hóa: Thiết lập mạng lưới tính toán thủy lực trên EPA SWMM gồm các tiểu lưu vực (Subcatchments), nút nối (Junctions), đoạn cống dẫn (Conduits) và cửa xả (Outfalls).

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Giới thiệu tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ mâu thuẫn giữa tốc độ đô thị hóa nhanh và sự lạc hậu của hạ tầng thoát nước tại thị xã Thuận An. Xác định rõ mục đích, 4 nhiệm vụ nghiên cứu, phương pháp tiếp cận và cấu trúc tổng thể gồm 4 chương nội dung cùng phần kết luận, kiến nghị.

Chương 1: Tổng quan về lưu vực Lái Thiêu – Tỉnh Bình Dương

Chương 1 tổng hợp điều kiện tự nhiên, kinh tế – xã hội và hiện trạng kỹ thuật hạ tầng tiêu thoát nước của khu vực:

  • Điều kiện tự nhiên: Lưu vực có địa hình tương đối bằng phẳng, độ cao trung bình khoảng 20 m, độ dốc tự nhiên từ 0° đến 3°, chia làm hai dạng địa hình chính: vùng bằng thấp ven sông Sài Gòn (cao trình 10–15 m, tập trung tại phường Lái Thiêu) và vùng đồi thoải lượn sóng (cao trình 25–33 m, gồm Thuận Giao, Bình Hòa, An Phú). Thổ nhưỡng có 2 nhóm chính: đất nâu vàng trên phù sa cổ (thị trấn Lái Thiêu, dốc 8–10°, tầng dày >100 cm) và đất phèn hoạt động nhẹ có tầng phèn sâu. Khí hậu mang tính chất nhiệt đới gió mùa với mùa mưa kéo dài từ tháng V đến tháng X (chiếm 87% tổng lượng mưa năm; lượng mưa trung bình nhiều năm đạt 1.930 mm; mưa lớn nhất tập trung vào tháng IX và X). Thủy văn lưu vực chịu ảnh hưởng của sông Sài Gòn (chiều dài 280 km, diện tích lưu vực 4.500 km², bề rộng lòng dẫn từ 150–350 m, sâu 10–20 m) và hai trục tiêu chính là rạch Lái Thiêu và rạch Vĩnh Bình (dài 3.360 m).
  • Điều kiện kinh tế – xã hội: Năm 2007, thị xã Thuận An có dân số trên 231.000 người; dân số các phường thuộc lưu vực giai đoạn 2009–2011 đạt mức cao (phường Bình Hòa: 83.511 người, Thuận Giao: 78.574 người, An Phú: 51.770 người, Lái Thiêu: 24.964 người). Cơ cấu kinh tế chuyển dịch mạnh với công nghiệp chiếm 69,5%, thương mại – dịch vụ chiếm 30,36%, nông nghiệp chỉ còn 0,14%. Đất chuyên dùng và đất ở chiếm 27,4%, đất nông nghiệp chiếm 67,7% nhưng đang giảm nhanh do chuyển đổi dự án.
  • Hiện trạng thủy lợi và thoát nước: Toàn thị xã có trên 160 kênh rạch với tổng chiều dài gần 90 km, hơn 56 km sông suối và 12 km bờ bao/đê bao (tiêu biểu là đê bao An Sơn – Lái Thiêu). Toàn tỉnh có 35 hệ thống công trình thủy lợi (năng lực tưới 3.901 ha, tiêu 10.063 ha). Quá trình phân tích ảnh vệ tinh MapInfo Pro (2003–2018) chỉ ra diện tích bề mặt không thấm gia tăng đột biến.
STT Tên công trình thủy lợi Địa điểm Hình thức đầu mối Năm xây dựng Năm hoàn thành
1 Hệ thống kênh tiêu Bình Hòa Thị xã Thuận An Kênh tiêu 1997 1999
2 Cống dưới đê bao An Sơn – Lái Thiêu Thị xã Thuận An Đê bao 2002 —
3 Bờ bao ven sông Sài Gòn (rạch Vàm Búng – Lái Thiêu) Thị xã Thuận An Đê bao — —
  • Hiện trạng ngập úng: Xác định 8 nhóm nguyên nhân chính gây ngập: kênh rạch thiếu nạo vét, mất thảm thực vật mặt đệm, công trình giao thông chặn ngang đường dốc tự nhiên, tập trung nước mưa cực nhanh từ khu công nghiệp, cống cũ quá tải, thiết kế tiêu chuẩn nông nghiệp không còn phù hợp đô thị, rác thải bừa bãi và tình trạng lấn chiếm bờ kênh.

Chương 2: Tổng quan và lựa chọn mô hình mô phỏng dòng chảy do mưa

Chương này đi sâu vào cơ sở lý thuyết thủy văn đô thị và cấu trúc giải thuật của phần mềm mô phỏng:

  • Phân tích cơ chế tác động của đô thị hóa làm suy giảm dung tích trữ nước tự nhiên của ao hồ, làm tăng lưu lượng đỉnh dòng chảy $Q_{max}$ và rút ngắn thời gian đạt đỉnh.
  • Trình bày toán học các mô hình: sóng động học, đường đơn vị, phương pháp căn nguyên, mô hình tổn thất thấm Horton và Green-Ampt.
  • Phân tích cấu trúc hệ thống mô hình EPA SWMM bao gồm 5 khối tính toán chức năng: Runoff block, Transport block, Extran block, Storage/Treatment block và Receiving block.
  • Mô tả chi tiết 9 thành phần vật lý trong sơ đồ mạng lưới của SWMM: trạm đo mưa (Raingage), tiểu lưu vực (Subcatchment), nút liên kết (Junction Nodes), cửa xả (Outfall Nodes), nút phân lưu (Flow Divider Nodes), công trình trữ (Storage Units), đoạn cống dẫn (Conduits), máy bơm (Pumps) và công trình điều tiết (Flow Regulators như Orifice, Weir). Thiết lập cơ sở lựa chọn phương pháp sóng động học để diễn toán dòng chảy trong hệ thống đường ống.

Chương 3: Ứng dụng mô hình SWMM tính toán mô phỏng dòng chảy do mưa cho lưu vực Lái Thiêu – Tỉnh Bình Dương

Chương 3 là phần thực nghiệm mô phỏng trung tâm của đồ án:

  • Phân tích chuỗi số liệu mưa: Phân tích tương quan lượng mưa bình quân tháng của 15 trạm khí tượng thủy văn khu vực TP.HCM và Bình Dương thời kỳ 1990–2008 (Tân Sơn Hòa: 1.939 mm/năm; Phạm Văn Cội: 2.584 mm/năm; Sở Sao: 1.838 mm/năm; Thuận An: 1.567 mm/năm).
  • Thiết lập mưa thiết kế trạm Tân Sơn Hòa và trạm Thuận An: Khai thác số liệu trạm Tân Sơn Hòa (1952–2007) cho thấy các trận mưa cường độ cao kéo dài từ 15 đến 120 phút chiếm tới 83,96% tổng lượng mưa ngày; các trận mưa gây ngập xuất hiện tập trung vào buổi chiều (từ 12h đến 21h chiếm 70–85%, cao điểm từ 13h30 đến 19h30 chiếm 55–60%). Sử dụng phương pháp tương quan mưa ngày lớn nhất giữa Tân Sơn Hòa và Thuận An (giai đoạn 1990–2007) để thiết lập đường cong quan hệ IDF và mô hình mưa thiết kế theo phương pháp khối xen kẽ.
  • Thiết lập sơ đồ tính toán thủy lực: Chia lưu vực nghiên cứu thành các tiểu lưu vực phụ thuộc vào địa hình, mạng lưới cống và hướng dốc tự nhiên. Khai báo các thông số hình học và thủy lực gồm tọa độ cao trình các nút giếng thăm ($J_1$ đến $J_{26}$), chiều dài, đường kính và độ nhám các tuyến cống dẫn (Conduits), cùng cửa xả chính (CUAXA).
  • Kết quả mô phỏng thủy lực:
    • Kịch bản mưa chu kỳ lặp lại $N = 5$ năm: Mô hình phát hiện sự quá tải nghiêm trọng tại nhiều vị trí nút và tuyến ống. Điểm ngập cục bộ xuất hiện rõ tại nút $J_{21}$ và $J_{26}$, mực nước dâng vượt quá cao trình mặt đất hố ga.
    • Kịch bản mưa chu kỳ lặp lại $N = 10$ năm: Mức độ ngập úng gia tăng về cả phạm vi và chiều sâu ngập. Xuất hiện thêm nút ngập $J_{22}$ cùng với $J_{21}$ và $J_{26}$. Đường quá trình lưu lượng và cột nước trong các đoạn cống từ $J_1$, $J_2$, $J_3$, $J_8$, $J_{16}$ dẫn về CUAXA đều ở trạng thái chảy có áp và vượt ngưỡng thoát nước cho phép của mặt cắt cống hiện hữu.

Chương 4: Đề xuất giải pháp giảm thiểu ngập úng cho lưu vực nghiên cứu

Dựa trên kết quả định vị các điểm nghẽn thủy lực ở Chương 3, tác giả xây dựng phương án xử lý:

  • Giải pháp công trình: Đề xuất thay thế và mở rộng kích thước đường kính các tuyến ống cống quá tải kết nối trực tiếp tại các nút ngập xung yếu $J_{21}$, $J_{22}$ và $J_{26}$ dẫn về cửa xả. Sau khi nhập thông số kích thước mới vào mô hình SWMM và tái mô phỏng với hai kịch bản mưa $N = 5$ năm và $N = 10$ năm:
    • Với mưa $N = 5$ năm: Mực nước đỉnh trong hệ thống đường ống từ nút $J_8$ đến CUAXA hạ thấp đáng kể, triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng tràn cống tại các nút $J_{21}$ và $J_{26}$.
    • Với mưa $N = 10$ năm: Hiện tượng ứ đọng nước trên đỉnh nút tại $J_{21}$, $J_{22}$, $J_{26}$ được kiểm soát, đường quá trình lưu lượng tại các nút và cửa xả vận hành thông thoát, giải quyết ngập úng cho các khu vực dân cư lân cận.
  • Giải pháp phi công trình: Kiến nghị rà soát và cắm mốc hành lang bảo vệ kênh rạch; tổ chức nạo vét định kỳ hệ thống cống rãnh và rạch Lái Thiêu trước mùa mưa; tăng cường quản lý thu gom chất thải rắn đô thị và nước thải công nghiệp; hoàn thiện quy chế phối hợp vận hành hệ thống cống dưới đê bao An Sơn – Lái Thiêu giữa UBND thị xã Thuận An và Trung tâm Đầu tư, khai thác thủy lợi và nước sạch nông thôn tỉnh Bình Dương.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán chính

Mô hình mô phỏng thủy lực đã định lượng chi tiết trạng thái hoạt động của mạng lưới cống thoát nước lưu vực Lái Thiêu:

Kịch bản mưa thiết kế Nút ngập úng trên mạng lưới Các tuyến ống chịu áp / nguy cơ tràn Tình trạng cửa xả (CUAXA) Hiệu quả sau khi mở rộng kích thước cống
Tần suất $N = 5$ năm Nút $J_{21}$, $J_{26}$ Tuyến nối từ $J_8$ về CUAXA Đạt lưu lượng đỉnh lớn, chậm thoát do khẩu độ cống nhánh hạn chế Triệt tiêu ngập úng tại $J_{21}$ và $J_{26}$; mực nước trong cống hạ dưới miệng hố ga
Tần suất $N = 10$ năm Nút $J_{21}$, $J_{22}$, $J_{26}$ Các tuyến trục chính từ $J_1$, $J_2$, $J_3$, $J_8$, $J_{16}$ về CUAXA Quá tải toàn tuyến dẫn, hiện tượng ứ nước diễn ra kéo dài Loại bỏ ngập tại cả 3 nút $J_{21}$, $J_{22}$, $J_{26}$; dòng chảy thoát đều về CUAXA

Giải pháp đề xuất

  1. Cải tạo kỹ thuật: Mở rộng khẩu độ tiết diện cống tại các phân đoạn quá tải tập trung nước quanh các nút $J_{21}$, $J_{22}$ và $J_{26}$.
  2. Quản lý vận hành: Nạo vét thông thoáng lòng dẫn rạch Lái Thiêu và rạch Vĩnh Bình; siết chặt quản lý xả thải từ các lò gạch, cơ sở sản xuất gốm nhằm tránh xói bồi; vận hành đồng bộ các cống điều tiết dưới đê bao An Sơn – Lái Thiêu nhằm kết hợp ngăn triều và tiêu úng nội đồng.

Đóng góp của đề tài

  • Chuyển đổi phương thức tính toán thủy văn thoát nước đô thị tại địa phương từ phương pháp tĩnh truyền thống (công thức cường độ giới hạn) sang mô phỏng động học theo thời gian bằng mô hình SWMM.
  • Xây dựng được bộ thông số mưa thiết kế chi tiết (đường cong IDF và mô hình mưa khối xen kẽ) cho trạm Thuận An thông qua chuỗi số liệu tương quan thực đo dài hạn trạm Tân Sơn Hòa.
  • Cung cấp cơ sở định lượng và hình ảnh trực quan về các nút ngập nghẽn cục bộ để cơ quan quản lý đô thị thị xã Thuận An ưu tiên nguồn vốn đầu tư nâng cấp công trình hạ tầng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Hạn chế về dữ liệu quan trắc: Lưu vực nghiên cứu có số liệu đo đạc, quan trắc thủy văn tại chỗ còn thiếu và rời rạc; tác giả phải sử dụng phương pháp tương quan gián tiếp từ chuỗi trạm Tân Sơn Hòa (TP.HCM) sang trạm Thuận An, do đó chưa phản ánh hoàn toàn sai biệt tiểu khí hậu cục bộ.
  • Hạn chế về điều kiện biên thủy lực: Đồ án tập trung mô phỏng dòng chảy tràn do mưa nội vực thoát ra cửa xả, chưa tích hợp mô phỏng thủy lực 2 chiều dòng triều dâng kết hợp đồng thời với đỉnh lũ sông Sài Gòn tác động ngược vào cửa xả tự do.
  • Hạn chế từ tác giả tự nêu: Điều kiện thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp có hạn và kinh nghiệm thực tiễn của sinh viên còn hạn chế nên chưa giải quyết triệt để toàn bộ các mắt lưới thoát nước ngách trên toàn bộ diện tích 1.800 ha của lưu vực.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Bổ sung số liệu quan trắc mực nước và lưu lượng thực tế tại các tuyến rạch tiêu chính để hiệu chỉnh và kiểm định chi tiết bộ thông số nhám Manning và tổn thất thấm của mô hình SWMM.
  • Mở rộng phạm vi nghiên cứu liên kết mô hình 1D (SWMM) với mô hình thủy lực 2D (như MIKE 21 hoặc SWMM 2D) để mô phỏng chính xác diện ngập và độ sâu ngập tràn trên bề mặt đường phố khi cống bị đầy áp.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang lại giá trị tham khảo chuyên môn rõ ràng cho các nhóm đối tượng:

  1. Sinh viên và học viên chuyên ngành Thủy văn, Kỹ thuật Tài nguyên nước, Kỹ thuật Hạ tầng đô thị, Cấp thoát nước: Tham khảo phương pháp luận thiết lập mô hình mưa thiết kế từ đường IDF theo phương pháp khối xen kẽ; cách phân chia tiểu lưu vực đô thị và kỹ thuật chuẩn hóa số liệu hình học mạng lưới cống trên phần mềm EPA SWMM.
  2. Kỹ sư tư vấn thiết kế quy hoạch thoát nước đô thị: Sử dụng trực tiếp các phương trình IDF, hệ số dòng chảy mặt đệm và các thông số tính toán thủy văn trạm Thuận An – Tân Sơn Hòa phục vụ tính toán khẩu độ công trình tiêu thoát nước tại tỉnh Bình Dương.
  3. Cơ quan quản lý hạ tầng đô thị thị xã Thuận An và tỉnh Bình Dương: Tham khảo vị trí các nút xung yếu ngập úng ($J_{21}$, $J_{22}$, $J_{26}$) và phương án cải tạo khẩu độ đường ống để lập kế hoạch phân bổ vốn đầu tư công trình thoát nước giảm ngập.

Câu hỏi thường gặp

1. Lưu vực nghiên cứu Lái Thiêu có quy mô diện tích và giới hạn hành chính cụ thể như thế nào?

Tổng diện tích tự nhiên của lưu vực Lái Thiêu là khoảng 1.800 ha, bao gồm địa giới hành chính của 4 phường thuộc thị xã Thuận An: phường Lái Thiêu (790 ha), phường Thuận Giao (1.149 ha), phường Bình Hòa (1.147 ha) và phường An Phú (1.091 ha). Lưu vực có cao trình trung bình 20 m, độ dốc bề mặt từ 0° đến 3°, phía Tây giáp Quận 12 (TP.HCM) và phía Nam giáp Quận Thủ Đức (TP.HCM).

2. Tác giả sử dụng chuỗi số liệu khí tượng thủy văn nào để tính toán mưa thiết kế?

Tác giả đã thu thập chuỗi số liệu lượng mưa thời đoạn và mưa ngày trạm Tân Sơn Hòa trong giai đoạn 1952–2007 (55 năm), kết hợp với chuỗi số liệu mưa của trạm Thuận An và 14 trạm lân cận trong khu vực TP.HCM và Bình Dương giai đoạn 1990–2008. Trên cơ sở đó, tác giả thiết lập phương trình tương quan mưa ngày lớn nhất giữa trạm Thuận An và Tân Sơn Hòa để ngoại suy chuỗi tính toán tần suất và lập đường cong IDF cho trạm Thuận An.

3. Tại sao tác giả lựa chọn phần mềm EPA SWMM thay vì các mô hình tính toán truyền thống?

Các mô hình truyền thống như mô hình thích hợp (Rational Method) chỉ xác định được lưu lượng đỉnh đơn lẻ mà không mô tả được biến trình dòng chảy; mô hình đường đơn vị (UHM) coi mặt đệm là cố định nên thiếu chính xác trong đô thị đang phát triển; mô hình căn nguyên đòi hỏi tính toán thủ công phức tạp. Mô hình EPA SWMM được chọn vì có mã nguồn mở miễn phí, giao diện Windows trực quan, có khả năng mô phỏng liên tục dòng chảy không ổn định một chiều trong hệ thống cống kín phức tạp và cho phép chạy nhiều kịch bản quy hoạch khác nhau trong thời gian ngắn.

4. Kết quả mô phỏng mạng lưới thoát nước Lái Thiêu chỉ ra các nút nào bị ngập úng khi gặp mưa lớn?

Khi mô phỏng với trận mưa thiết kế chu kỳ lặp lại $N = 5$ năm, hệ thống xuất hiện hai nút ngập cục bộ nghiêm trọng là nút $J_{21}$ và $J_{26}$. Khi nâng chu kỳ lặp lại lên $N = 10$ năm, phạm vi ngập mở rộng thêm nút $J_{22}$, nâng tổng số điểm ngập chính lên 3 nút ($J_{21}$, $J_{22}$, $J_{26}$), đồng thời toàn bộ tuyến truyền dẫn nước từ các nút $J_1$, $J_2$, $J_3$, $J_8$, $J_{16}$ về cửa xả (CUAXA) đều bị quá tải và dâng áp.

5. Phương án công trình mở rộng đường ống mang lại hiệu quả giảm ngập ra sao trên mô hình?

Sau khi tác giả đề xuất mở rộng tiết diện đường ống tại các phân đoạn xung yếu nối từ các nút ngập $J_{21}$, $J_{22}$, $J_{26}$ về cửa xả và chạy lại mô hình SWMM, kết quả cho thấy: ở chu kỳ mưa $N = 5$ năm, toàn bộ tình trạng ngập tràn tại nút $J_{21}$ và $J_{26}$ bị triệt tiêu hoàn toàn; ở chu kỳ $N = 10$ năm, mực nước trong lòng ống hạ thấp rõ rệt dưới cao trình mặt đất hố ga, các nút $J_{21}$, $J_{22}$, $J_{26}$ không còn bị tràn nước ra bề mặt.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư của sinh viên Lê Thúy Phượng đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu ứng dụng mô hình thủy văn – thủy lực EPA SWMM để đánh giá định lượng hiện trạng thoát nước mưa tại lưu vực Lái Thiêu, thị xã Thuận An, tỉnh Bình Dương. Bằng việc phân tích chuỗi số liệu mưa thực đo dài hạn trạm Tân Sơn Hòa và trạm Thuận An kết hợp phân tích viễn thám biến động mặt đệm giai đoạn 2003–2018, nghiên cứu đã mô phỏng chính xác các vị trí quá tải thủy lực tại các nút $J_{21}$, $J_{22}$ và $J_{26}$ dưới các kịch bản mưa chu kỳ 5 năm và 10 năm. Phương án công trình mở rộng khẩu độ cống tại các nút xung yếu kết hợp đồng bộ với các giải pháp quản lý nạo vét, bảo vệ đê bao đã được chứng minh hiệu quả giảm ngập rõ rệt thông qua mô hình toán, cung cấp cơ sở kỹ thuật tin cậy phục vụ công tác quy hoạch hạ tầng thoát nước bền vững cho địa phương.