Tổng quan nghiên cứu

Khu tái định cư Tây Nam làng đá mỹ nghệ Non Nước thuộc phường Hòa Hải và Hòa Quý, quận Ngũ Hành Sơn, thành phố Đà Nẵng có quy mô diện tích quy hoạch 30,56 ha, phục vụ dân số dự phóng đạt 8.850 người vào năm 2020 với mật độ 180 người/ha. Trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng và việc di dời dân cư phục vụ các dự án trọng điểm như Khu đô thị sinh thái sân Golf Nam Non Nước và Đảo nổi Đông Nò, hạ tầng kỹ thuật hiện trạng của khu vực còn rất sơ khai, chủ yếu là các đường bê tông 2m và tuyến đường Mai Đăng Chơn rộng 5m chưa có lề đã xuống cấp. Người dân địa phương trước đây hoàn toàn dựa vào giếng khoan, giếng đào mạch nông, trong khi nước thải sinh hoạt xả tràn tự do ra vườn và mương rãnh tự nhiên, rác thải chưa được thu gom đồng bộ gây ô nhiễm nguồn nước ngầm nghiêm trọng.

Vấn đề cốt lõi của nghiên cứu là giải quyết bài toán cung cấp nước sạch ổn định và xây dựng hệ thống thu gom, xử lý nước thải, nước mưa hoàn chỉnh. Mục tiêu cụ thể của đề tài là thiết kế hoàn thiện hệ thống cấp nước sạch công suất 3.500 m3/ngày từ Nhà máy nước Cầu Đỏ, kết hợp tính toán mạng lưới thoát nước riêng biệt đáp ứng nhu cầu phát triển bền vững đến năm 2020. Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn khi nâng tỷ lệ dân số được cấp nước sạch lên 100%, bảo đảm tiêu chuẩn sinh hoạt 200 lít/người/ngày, đồng thời giảm thiểu hơn 90% lượng nước thải xả trực tiếp chưa qua xử lý ra môi trường ven sông Cổ Cò, tạo nền tảng vững chắc cho sự phát triển đô thị du lịch sinh thái tại Đà Nẵng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết nền tảng về cơ học chất lỏng và kỹ thuật hạ tầng đô thị. Trọng tâm là lý thuyết tính toán thủy lực mạng lưới đường ống cấp nước có áp phức hợp sử dụng phương trình Hazen-Williams và Darcy-Weisbach để xác định tổn thất áp lực dọc đường và tổn thất cục bộ. Đối với hệ thống thoát nước, nghiên cứu vận dụng lý thuyết dòng chảy tự chảy không áp theo công thức Chezy - Manning nhằm tính toán lưu lượng, độ đầy và độ dốc thủy lực tối ưu trong cống dẫn.

Các tiêu chuẩn và quy chuẩn pháp lý then chốt được tích hợp gồm Tiêu chuẩn ngành TCXDVN 33:2006 về thiết kế mạng lưới đường ống và công trình cấp nước, cùng Tiêu chuẩn ngành TCXDVN 51:2006 về thiết kế mạng lưới thoát nước đô thị. Nghiên cứu làm rõ các khái niệm kỹ thuật chuyên ngành như hệ số dùng nước không điều hòa ngày cực đại (K_max = 1,3), hệ số không điều hòa giờ (K_gio_max = 1,8), đường đồng áp, áp lực tự do tối thiểu tại các điểm nút, và nguyên lý phân lưu dòng chảy trong hệ thống thoát nước riêng hoàn toàn.

Phương pháp nghiên cứu

Cơ sở dữ liệu nghiên cứu được thu thập từ hiện trạng quy hoạch 30,56 ha của khu dân cư với cỡ mẫu tính toán 8.850 người, dựa trên tỷ lệ tăng trưởng dân số tự nhiên 4,4%/năm trong giai đoạn 11 năm. Phương pháp điều tra và tổng hợp số liệu thực địa từ Viện Quy hoạch thành phố Đà Nẵng và Công ty Viwaseen cung cấp các thông số chính xác về địa chất đất cấp II và khí tượng với lượng mưa trung bình 2.066 mm/năm.

Phương pháp mô phỏng số hóa thủy lực được lựa chọn nhờ độ tin cậy vượt trội so với các phương pháp giải tích truyền thống. Tác giả sử dụng phần mềm Epanet 2.0 để mô phỏng mạng lưới cấp nước có áp với tổng chiều dài 5.216,93 m trong các điều kiện làm việc bình thường và khi có sự cố cháy. Song song đó, phần mềm Hwase 3.0 được ứng dụng để tối ưu hóa mạng lưới cống thoát nước mưa và nước thải sinh hoạt. Tiến trình nghiên cứu được triển khai liên tục trong 3 tháng, kết hợp giữa tính toán lý thuyết, mô hình hóa vi tính và thiết kế tổ chức thi công cơ giới hóa.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, tính toán nhu cầu dùng nước xác định tổng công suất cấp nước hữu ích cho toàn khu vực là 2.999,3 m3/ngày, và công suất trạm bơm cấp II phát vào mạng lưới có tính đến hệ số rò rỉ 15% đạt 3.449,2 m3/ngày (được định mức thiết kế 3.500 m3/ngày). Trong đó, lưu lượng sinh hoạt lớn nhất chiếm 2.301 m3/ngày, nhu cầu tiểu thủ công nghiệp chiếm 230,1 m3/ngày (10%), công trình công cộng chiếm 184,1 m3/ngày (8%), và lưu lượng tưới cây, rửa đường chiếm 230,1 m3/ngày (10%). Vào giờ dùng nước lớn nhất (17h - 18h), lưu lượng tiêu thụ đạt đỉnh 6,95% tổng lượng ngày, tương đương 67,59 l/s.

Thứ hai, kết quả mô phỏng Epanet 2.0 trên mạng lưới cấp nước hỗn hợp dạng vòng khép kín cho thấy áp lực tự do tại các nút đều duy trì ổn định trên 10m cột nước. Khi kiểm tra chế độ có cháy với lưu lượng 15 l/s tại nút bất lợi nhất (nút số 6) kéo dài 3 giờ, hệ thống vẫn đáp ứng đầy đủ yêu cầu thủy lực, không xuất hiện hiện tượng xâm thực hay sụt áp cục bộ trên toàn tuyến ống đường kính 80 mm đến 350 mm.

Thứ ba, hệ thống thoát nước riêng hoàn toàn được thiết kế tối ưu với tiêu chuẩn thải nước sinh hoạt 160 l/người/ngày (bằng 80% tiêu chuẩn cấp nước). Tổng lưu lượng nước thải công trình công cộng đạt 165,69 m3/ngày. Mạng lưới thoát nước mưa với tuyến cống chính E1-E11 và J1-J5 bảo đảm tiêu thoát an toàn lưu lượng mưa lớn nhất với cường độ ngày cực đại đạt 332 mm.

Thứ tư, phương án tổ chức thi công đất xác định tổng thể tích đào mương cấp nước đạt 1.931,1 m3, sử dụng máy đào gầu nghịch Eo-2621A dung tích 0,25 m3 với năng suất thực tế 290,85 m3/ca trong 7 ca máy, kết hợp 1.217 lượt xe vận chuyển đất thừa tải trọng 10 tấn.

Thảo luận kết quả

Việc lựa chọn mạng lưới cấp nước hỗn hợp kết hợp vòng khép kín mang lại ưu thế tuyệt đối về độ an toàn vận hành so với mạng lưới cụt. Mặc dù chi phí đường ống chiếm từ 50% đến 80% tổng giá thành xây dựng hạ tầng, nhưng cấu trúc mạch vòng bảo đảm nước sạch liên tục ngay cả khi sửa chữa cục bộ. Dữ liệu phân bố lưu lượng theo 24 giờ được trực quan hóa qua bảng cân bằng nước và biểu đồ cột, giúp phản ánh chân thực nhịp sinh hoạt đô thị với hai đỉnh tiêu thụ rõ rệt lúc 6h - 8h sáng và 17h - 19h tối.

Đồ thị đường đồng áp trích xuất từ Epanet 2.0 chứng minh tổn thất áp lực dọc đường trên các đoạn ống chính chỉ dao động trong khoảng 1,5 đến 3,5 m/km, vận tốc dòng chảy đạt từ 0,6 đến 1,2 m/s, hoàn toàn nằm trong dải vận tốc kinh tế tránh lắng cặn và mài mòn ống. So với một số đồ án quy hoạch hạ tầng nông thôn sử dụng hệ thống thoát nước chung, việc ứng dụng hệ thống thoát riêng hoàn toàn tại Tây Nam Non Nước tuy tăng 25% khối lượng đào đắp ban đầu nhưng giải quyết triệt để vấn đề ngập úng mùa mưa và giảm 40% tải trọng ô nhiễm cho các trạm xử lý nước thải hạ lưu sông Cổ Cò.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm đưa các kết quả tính toán vào triển khai thực tế một cách hiệu quả và bền vững, các khuyến nghị cụ thể được đề xuất như sau:

Một là, Ban Quản lý Dự án quận Ngũ Hành Sơn cần lắp đặt trạm đồng hồ đo lưu lượng tổng đường kính phi 200 mm tại điểm đấu nối đầu mạng lưới từ Nhà máy nước Cầu Đỏ, hoàn thành ngay trong giai đoạn thi công 6 tháng đầu để kiểm soát chặt chẽ tỷ lệ thất thoát nước dưới ngưỡng 15%.

Hai là, Công ty Cổ phần Cấp nước Đà Nẵng định kỳ kiểm tra, bảo dưỡng kỹ thuật hệ thống 3 van xả khí tại các đỉnh cao (đoạn 5-6, 8-9, 12-13) và 2 van xả kiệt đường kính 80 mm tại các điểm trũng (đoạn 4-5, 14-15) với tần suất 3 tháng một lần nhằm chống hiện tượng va nước và tắc nghẽn túi khí.

Ba là, Ủy ban nhân dân quận Ngũ Hành Sơn ban hành quy định bắt buộc 100% hộ dân xây dựng bể tự hoại 3 ngăn đạt chuẩn kỹ thuật trước khi đấu nối nước thải vào tuyến cống thu gom sinh hoạt, đồng thời phối hợp Công ty Môi trường Đô thị triển khai hút bùn cặn định kỳ trong vòng 12 tháng kể từ khi bàn giao nhà tái định cư.

Bốn là, cơ quan quản lý đô thị thành phố ứng dụng mô hình số hóa GIS kết hợp dữ liệu thủy lực từ Epanet và Hwase để quản lý toàn diện tài sản ngầm, lắp đặt hệ thống cảm biến giám sát áp lực tự động tại các nút xung yếu nhằm phát hiện rò rỉ trong vòng 24 giờ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và dữ liệu tính toán chi tiết của công trình nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn cao cho nhiều nhóm chuyên môn:

Kỹ sư thiết kế cấp thoát nước và hạ tầng kỹ thuật: Tài liệu cung cấp quy trình chi tiết từng bước vạch tuyến, lập bảng phân phối lưu lượng nút, tính toán thủy lực trên Epanet 2.0 và Hwase 3.0 cho một khu đô thị hoàn chỉnh quy mô 30,56 ha.

Chuyên viên quản lý quy hoạch đô thị và môi trường: Cung cấp khung số liệu thực chứng về tiêu chuẩn cấp thoát nước (200 l/người/ngày), cơ cấu sử dụng đất và phương pháp dự báo dân số theo hàm mũ tăng trưởng 4,4%/năm cho các khu tái định cư ven biển miền Trung.

Nhà thầu thi công và kỹ sư quản lý dự án xây dựng: Tham khảo bài toán tổ chức thi công đất chi tiết, cách tính toán ca máy đào gầu nghịch 0,25 m3, năng suất 290,85 m3/ca, quy cách chôn ống gang từ 80 mm đến 350 mm trên vỉa hè an toàn.

Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Hạ tầng - Môi trường: Sử dụng làm tài liệu tham khảo mẫu mực về cấu trúc đồ án tốt nghiệp, phương pháp liên kết giữa tiêu chuẩn TCXDVN 33:2006, TCXDVN 51:2006 với các công cụ mô phỏng số hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao luận văn lựa chọn mạng lưới cấp nước dạng vòng thay vì mạng lưới cụt?

Mạng lưới cấp nước dạng vòng bảo đảm cấp nước liên tục hai chiều đến từng điểm dùng nước. Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu của mạng vòng cao hơn mạng cụt, nhưng hệ thống loại bỏ hoàn toàn nguy cơ mất nước diện rộng khi có sự cố đường ống, đồng thời duy trì áp lực nước ổn định hơn 10m cột nước tại tất cả 15 nút tiêu thụ.

Phần mềm Epanet 2.0 đóng vai trò gì trong việc tối ưu hóa thiết kế cấp nước?

Epanet 2.0 thực hiện mô phỏng thủy lực động học theo thời gian cho toàn bộ 5.216,93 m đường ống. Phần mềm giúp tính toán chính xác lưu lượng, vận tốc dòng chảy (0,6 - 1,2 m/s), tổn thất áp lực theo công thức Hazen-Williams và áp lực tự do tại các nút trong cả hai kịch bản: giờ cao điểm không cháy và giờ cao điểm có cháy 15 l/s.

Tiêu chuẩn tính toán lưu lượng chữa cháy trong đề tài được áp dụng như thế nào?

Theo TCXDVN 33:2006, với quy mô dân số dự kiến 8.850 người, hệ thống được thiết kế cho 1 đám cháy xảy ra đồng thời với lưu lượng chữa cháy 15 l/s. Thời gian dập tắt đám cháy tính toán liên tục trong 3 giờ, tương đương tổng lượng nước chữa cháy dự phòng là 162 m3, bố trí tại nút bất lợi số 6 trên mạng lưới.

Vì sao khu tái định cư Tây Nam phải áp dụng hệ thống thoát nước riêng hoàn toàn?

Hệ thống thoát nước riêng hoàn toàn tách biệt mạng lưới thoát nước mưa và mạng lưới nước thải sinh hoạt. Với lượng mưa trung bình năm lên tới 2.066 mm và ngày mưa cực đại 332 mm tại Đà Nẵng, hệ thống riêng giúp ngăn ngừa quá tải trạm bơm xử lý nước thải, chống ngập úng đô thị và bảo vệ nguồn nước sông Cổ Cò.

Giải pháp tổ chức thi công đất và lắp đặt đường ống bảo đảm tiến độ ra sao?

Nghiên cứu tính toán thi công đào thẳng góc trên nền đất cấp II với tổng thể tích đào 1.931,1 m3. Sử dụng máy đào gầu nghịch Eo-2621A dung tích gầu 0,25 m3 đạt năng suất 290,85 m3/ca hoàn thành trong 7 ca máy, kết hợp 1.217 chuyến xe tải 10 tấn vận chuyển đất thừa, giúp tối ưu hóa 30% thời gian thi công ngoài hiện trường.

Kết luận

  • Hoàn thành toàn diện phương án thiết kế mạng lưới cấp nước công suất 3.500 m3/ngày cho 8.850 dân cư tại khu vực 30,56 ha đến năm 2020.
  • Ứng dụng thành công phần mềm Epanet 2.0 mô phỏng 5.216,93 m tuyến ống cấp nước, bảo đảm áp lực nút trên 10m và đáp ứng lưu lượng chữa cháy 15 l/s.
  • Xây dựng hoàn chỉnh mạng lưới thoát nước riêng hoàn toàn, thu gom 100% nước thải sinh hoạt đạt tiêu chuẩn 160 l/người/ngày và thoát nước mưa an toàn.
  • Tối ưu hóa biện pháp thi công đào đắp 1.931,1 m3 đất bằng máy đào gầu nghịch 0,25 m3 trong 7 ca máy, bảo đảm hiệu quả kinh tế - kỹ thuật.
  • Đóng góp mô hình thiết kế hạ tầng kỹ thuật chuẩn mực theo TCXDVN 33:2006 và TCXDVN 51:2006 cho các đô thị ven biển miền Trung.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là tạo nên một bộ giải pháp kỹ thuật đồng bộ, khả thi cao từ khâu tính toán thủy lực số hóa đến tổ chức thi công thực địa cho khu tái định cư đô thị mới. Để chuẩn bị cho giai đoạn vận hành trong 12 đến 24 tháng tới, các cơ quan ban ngành cần sớm phê duyệt dự toán, hoàn thiện đấu nối với Nhà máy nước Cầu Đỏ và lắp đặt thiết bị đo đếm tự động. Quý bạn đọc, nhà nghiên cứu và các đơn vị tư vấn hãy liên hệ ngay với tác giả hoặc cơ quan quản lý để tiếp cận trọn bộ hồ sơ bản vẽ kỹ thuật và file mô phỏng thủy lực chi tiết!