NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:Nhiệm vụ: Xây dựng mô hình thủy văn lưu vực đô thị tính toán dòng chảy tụ có xétđến các cống nhỏ, thích hợp cho kiểu đô thị Việt Nam và đánh giá khảnăng áp dụng thực
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Đặt vấn đề
Ngập úng đô thị là vấn đề ngày càng được nhiều người quan tâm Ngập úng ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất, sinh hoạt và đời sống hằng ngày của người dân, làm hư hại các công trình xây dựng, phá hủy các công trình hạ tầng kỹ thuật, làm ngưng trệ giao thông, gây ô nhiễm môi trường.
Ngập úng đã và đang diễn ra tại các đô thị vùng đồng bằng, duyên hải ven biển đến các đô thị vùng trung du miền núi và cao nguyên Các nguyên nhân cơ bản gây nên tình trạng ngập úng hiện nay có thể kể đến là:
- Điều kiện tự nhiên, đặc điểm khí tượng - thủy văn (KTTV): (1) do triều cường: mực nước sông dâng cao, gây khó khăn trong việc tiêu thoát nước, đặc biệt là đối với vùng trũng, đất thấp; (2) do mưa: lượng mưa ngày càng gia tăng và có cường độ lớn, thời gian mưa kéo dài, có những trường hợp vượt cường độ thiết kế của hệ thống thoát nước; (3) do lũ: lũ trực tiếp từ các sông thượng nguồn hoặc việc xả lũ từ công trình thủy điện, thủy lợi, hồ tưới tiêu trên các lưu vực sông, gây nguy hiểm hơn khi xảy ra đồng thời với mưa to và triều cường.
- Năng lực tiêu thoát nước của hệ thống thoát nước (HTTN): hệ thống chưa hoàn chỉnh, còn nhiều hạn chế, không được quy hoạch đầu tư đạt yêu cầu, hoặc hệ thống đã cũ, hư hỏng, không được duy tu, bảo dưỡng thường xuyên Đồng thời rác thải, bùn cát, trầm tích lắng đọng ở cửa cống hoặc trong cống gây ra khó khăn trong việc tiêu thoát nước khi có mưa lớn kéo dài.
- Quy hoạch, quản lý phát triển đô thị: những năm gần đây, quá trình đô thị hóa diễn ra với tốc độ khá cao, đặc biệt đối với thành phố đã và đang trong quá trình phát triển mạnh - thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM) Kèm theo đó là hiện tượng khí hậu thay đổi thất thường Trong đó có những thách thức đáng chú ý như hiện nay thành phố thường xuyên bị ngập, trường hợp mực nước biển dâng sẽ tiếp tục tác động mạnh mẽ Mưa lớn và thiếu hồ lưu trữ nước, hệ thống thoát nước chưa đáp ứng,…cũng là các nguyên nhân dẫn đến ngập Chính vì vậy, việc đô thị hóa thiếu kiểm soát, phát triển đô thị và phát triển cơ sở hạ tầng (CSHT) không đồng bộ, không thực sự phù hợp với đặc điểm từng vùng là những nguyên nhân trực tiếp khiến tình trạng ngập lụt đô thị càng nghiêm trọng.
Ngập lụt bắt đầu trở thành vấn nạn của TP.HCM từ cách nay khoảng 20 năm Ngập xảy ra ở cả khu vực nông thôn lẫn khu vực đô thị, trong đó ngập tại các khu vực đô thị diễn ra gay gắt và gây thiệt hại đáng kể.
Qua mỗi năm số điểm ngập ngày càng tăng và diện tích ngập cũng tăng theo Năm 2008, là thời kỳ đỉnh điểm khi mà số điểm ngập lên tới 126 điểm; lúc này, Thành phố bắt đầu khởi động chương trình chống ngập trên toàn địa bàn Tới năm 2015, số điểm ngập chỉ còn 23 điểm Tuy nhiên sang tới năm 2016, số điểm tăng vọt trở lại và các vùng ngập đã được xóa nay tái ngập Đặc biệt những trận mưa trên 100mm gây ngập kéo dài ở các khu vực trũng thấp.
Theo Trung tâm điều hành chương trình chống ngập nước TP.HCM, trong những tháng mùa mưa năm 2018, cứ vài tuần lại xảy ra một vụ ngập nước do mưa với nhiều mức độ nghiêm trọng khác nhau Một trong 2 trận mưa lớn nhất trong năm 2018 là trận mưa vào chiều ngày 19/5 gây ngập 32 tuyến đường Tuyến đường Phan Huy Ích, quận Tân Bình có điểm ngập đến ngực người lớn làm giao thông bị tê liệt Một số tuyến đường khác, 5 tiếng sau khi hết mưa, nước vẫn chưa rút, gây khó khăn cho giao thông, sinh hoạt của người dân Trong khi các kế hoạch chống ngập vẫn còn đang tiếp tục bàn thảo thì trận “siêu mưa” lớn nhất trong lịch sử diễn ra chiều 25/11/2018 đã phá vỡ mọi kỷ lục Số liệu quan trắc trên địa bàn quận 1 cho thấy chỉ trong vòng 90 phút vũ lượng đã đạt 204 mm, khiến cho 59 tuyến đường bị ngập nặng, trên thực tế gần như toàn bộ thành phố bị tê liệt vì ngập Một số khu vực bị ngập nặng như Thảo Điền (quận 2), Hiệp Bình Chánh (quận Thủ Đức), phường 15 (quận Tân Bình), phường Đông Hưng Thuận (quận 12),…phải dùng đến bè, máng để đi lại Hai ngày sau trận mưa, nước vẫn chưa rút hết ở những khu vực bị ngập.
Chiều ngày 29/06/2023, cơn mưa như trút nước ở nhiều nơi tại TP.HCM và kéo dài hơn một tiếng đồng hồ khiến nhiều tuyến đường ngập lênh láng Các điểm ngập như Nguyễn Văn Khối và các tuyến đường xung quanh công viên Làng Hoa (quận Gò Vấp), đường Thảo Điền, Quốc Hương (TP.Thủ Đức), Hồ Học Lãm, Tên Lửa (quận Bình Tân), khu vực công viên Lê Thị Riêng (quận 10) lại lênh láng như sông Hay cơn mưa đầu tháng 10 kèm triều cường khiến hàng loạt tuyến đường tại các quận 7,8, TP.Thủ Đức và các huyện Bình Chánh, Nhà Bè xảy ra tình trạng ngập khiến các phương tiện di chuyển khó khăn trên đường Cơn mưa xuất hiện khoảng
15 giờ, mưa bắt đầu nặng hạt và kéo dài hơn 18 giờ mới ngớt Cũng tại thời điểm đó, mức triều tại trạm đo Nhà Bè sông Đồng Điền đạt 1,66m, trạm Phú An sông Sài Gòn đạt 1,64m, cả hai trạm này đều vượt mức báo động 3.
Nhằm hướng đến mục tiêu đô thị thông minh, TP.HCM nhất thiết cần thực hiện quản lý tốt công tác quy hoạch, xây dựng phát triển đô thị Vấn đề đặt ra là làm thế nào để cung cấp hiệu quả nhất các dịch vụ hạ tầng kỹ thuật phục vụ đô thị, nâng cao chất lượng sống của người dân; sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên về đất đai và giảm thiểu tác động bất lợi về môi trường và một trong các trọng tâm cần giải quyết là ngập lụt đô thị Thực hiện điều này cần thiết phải ứng dụng một bộ công cụ hỗ trợ, mô hình toán chính là công cụ trợ giúp hữu ích, giúp thực hiện mô phỏng dòng chảy với các kịch bản khác nhau để từ đó cho phép đánh giá được khả năng của hệ thống tiêu thoát trước các tình huống gây ngập.
Tuy nhiên hiện nay, các nghiên cứu đã và đang thực hiện chưa thật sự phù hợp với kiểu đô thị Việt Nam Đặc điểm của đô thị Việt Nam là sự hiện diện của một hệ thống chằng chịt các con hẻm cùng với các cống kích thước nhỏ bên dưới mà việc đưa các cống này vào mô hình vẫn chưa được nhắc đến Trong khi đó cũng chưa có mô hình thủy văn tính toán dòng chảy tụ nào quan tâm tới sự hiện diện của hệ thống cống và hẻm nhỏ này.
Thực tế cống, đường, ngõ hẻm là các phần tử dẫn nước quan trọng trong hệ thống thoát nước đô thị Điểm đặc biệt ở các đô thị Việt Nam là số lượng các ngõ,hẻm nhỏ rất dày đặc, điều này khiến cho bài toán tiêu thoát nước đô thị trở nên khó khăn. Đáp ứng nhu cầu thực tiễn trên, đề tài “Xây dựng mô hình lưu vực thích hợp cho hệ thống thoát nước đô thị Việt Nam, áp dụng cho lưu vực Tân Hóa -
Lò Gốm” sẽ được thực hiện với mục tiêu là phát triển một mô hình thủy văn cho phép xét tới sự hiện diện của hệ thống cống và hẻm nhỏ Đồng thời nghiên cứu cũng đưa ra hai hướng giải quyết trong bài toán ngập lụt đô thị cho lưu vực Tân Hóa - Lò Gốm Phương pháp thứ nhất, ứng dụng bộ mô hình thủy văn lưu vực tính toán dòng chảy tụ có sự hiện diện của hệ thống cống và hẻm nhỏ Phương pháp thứ hai, sử dụng địa hình 2D mô phỏng dòng chảy tràn trên bề mặt khi xảy ra ngập lụt trên các tuyến đường và khu vực dân cư thay cho mô hình thủy văn lưu vực Từ đó so sánh hiệu quả của hai phương án này để có thể ứng dụng cho những bài toán khác nhau trong thực tế và mang ý nghĩa khoa học.
Tại lưu vực thí điểm nghiên cứu Tân Hóa - Lò Gốm, mỗi lần có mưa hay triều cường, tại các tuyến đường lớn ở quận Tân Bình như Đồng Đen, Âu Cơ, Thoại Ngọc Hầu, Lũy Bán Bích và hàng chục tuyến đường trong khu dân cư Bàu Cát, đường cũng như hẻm tràn ngập nước, nhiều nơi ngập rất sâu Khu vực vòng xoay
Tình hình nghiên cứu
1.2.1 Các nghiên cứu trên thế giới
Ngập đô thị đang là vấn đề quan tâm không chỉ riêng đối với các nhà quản lý trong quy hoạch mà còn được chú trọng trong nhiều nghiên cứu khoa học trên thế giới.
Bài báo nghiên cứu tiềm năng và hạn chế của mô hình 1D về ngập lụt đô thị của Ole Mark và các cộng sự (2004) Mô phỏng sự tương tác dòng chảy trên lưu vực, trong hệ thống cống (kênh hở) và các khu vực tồn đọng nước Các kết quả từ mô hình hóa được trình bày dưới dạng bản đồ số từ công cụ GIS Trong nghiên cứu chỉ ra, tình trạng ngập lụt xuất phát từ mưa lớn cục bộ, thời gian kéo dài, từ đó ước tính chi phí thiệt hại do lũ lụt [1].
Nghiên cứu so sánh các mô hình thủy lực 1D/1D và 1D/2D (cống/bề mặt) cho mô phỏng lũ lụt đô thị của Jorge Leandro (2009) Phương pháp được áp dụng để thiết lập các mô hình phác thảo 1D/1D để so sánh, kiểm chứng kết quả mô hình 1D/2D Kết quả dòng chảy bề mặt làm rõ những hạn chế của mô hình 1D/1D và chỉ ra rằng, các yếu tố liên kết cống/bề mặt và bao gồm các hố ga ảo là những yếu tố chính để thiết lập mô hình chính xác hơn, cho thấy dòng chảy tràn trên bề mặt được mô phỏng hóa tốt hơn bằng mô hình 2D [2].
Trong khuôn khổ công việc nghiên cứu, mô hình cống thoát nước SWMM và mô hình hai chiều (2D) được phát triển, kết hợp để mô phỏng sự tương tác giữa hệ thống cống rãnh và vùng ngập lụt đô thị Giải pháp của mô hình 2D là dựa trên phương trình nước nông tự do Sự tương tác tương thích giữa hai mô hình hai chiều và các cửa xả cho thấy sự khác biệt mực nước giữa dòng chảy trong mạng lưới hệ thống cống rãnh và dòng chảy trên mặt đất Các mô hình đã được thử nghiệm trên một nghiên cứu trường hợp giả định và một nghiên cứu trường hợp thực tế được thực hiện bởi Solomon Dagnachew Seyoum và cộng sự (2012) [3].
Huabing Huang và cộng sự (2018) nghiên cứu tập trung vào mô hình hóa và phân tích lũ lụt đô thị trong các lưu vực nhỏ bằng mô hình không gian - thời gian sử dụng chuỗi số liệu 2009 - 2015 ở khu vực Trung tâm Quảng Châu, Trung Quốc. Nhằm thể hiện mối tương quan giữa lượng mưa và bề mặt không thấm nước - lũ lụt đô thị - cải thiện hệ thống thoát nước [4].
Dự báo tình hình ngập lụt của Bartosz Szelag và cộng sự (2022) trình bày một phương pháp để phân tích ảnh hưởng của đô thị hóa bằng mô hình toán và phương pháp hồi quy tuyến tính nhằm dự đoán mức độ lũ lụt có thể xảy ra trong thời kỳ mưa lớn Nghiên cứu chứng minh rằng giải pháp giả định cho phép phát triển các hệ thống cảnh báo sớm bằng cách mô hình hóa sự xuất hiện của mưa và lũ lụt trong một lưu vực nhất định Những dự báo này có tính toán đến khả năng quy hoạch đô thị trong tương lai [5].
1.2.2 Các nghiên cứu kết hợp của tác giả trong và ngoài nước về ngập lụt
Tác giả H.T.L.Hương và A.Pathirana (2013), nghiên cứu đánh giá sự phát triển đô thị làm tăng nguy cơ lũ lụt ở các thành phố do những thay đổi cục bộ trong điều kiện khí tượng thủy văn làm tăng nguy cơ lũ lụt, cũng như mức độ đô thị hóa làm tăng tính dễ bị tổn thương Mối quan hệ giữa dòng chảy đô thị ngày càng tăng và lũ lụt do sự không thấm nước theo tốc độ tăng trưởng đô thị và lượng mưa đô thị thông qua những thay đổi khí hậu Điển hình là thành phố Cần Thơ (thành phố lớn nhất ở đồng bằng sông Cửu Long, Việt Nam) Nghiên cứu một mô hình dự báo khí hậu (WRF) và mô hình bề mặt đất chi tiết với tham số hóa thảm thực vật (Noah LSM), đã được sử dụng trong các thí nghiệm số có kiểm soát để ước tính những thay đổi dự kiến trong các mô hình mưa cực đoan do hiệu ứng đảo nhiệt đô thị. Cuối cùng, một mô hình thoát nước/lũ lụt đô thị kết hợp 1D/2D (SWMM-Brezo) đã được sử dụng để mô phỏng dòng chảy trong cống thoát nước mưa và ngập lụt bề mặt để thiết lập sự gia tăng nguy cơ lũ lụt do những thay đổi Kết quả cho thấy theo kịch bản kết hợp có sự thay đổi đáng kể mực nước (nước biển dâng do khí hậu và sự gia tăng dòng chảy ở sông Mê Công) và tốc độ đô thị hóa [6].
1.2.3 Các nghiên cứu của tác giả trong nước
Hồ Long Phi (2012) đã đưa ra những chứng cứ để giải thích sự bất thường trong diễn biến thủy văn và chỉ ra một khía cạnh khác của tình trạng ngập lụt đô thị ở TP.HCM trong nghiên cứu “Biến đổi khí hậu cục bộ và vấn đề ngập lụt đô thị ở Thành phố Hồ Chí Minh” Kết luận thu được cho thấy rằng ảnh hưởng của NBD cho đến nay có thể chưa phải là nguyên nhân duy nhất và chủ đạo của vấn đề ngập.
Sự phát triển đô thị diễn ra mạnh mẽ tại khu vực ven đô, nơi có cao độ mặt đất thấp hơn so với khu trung tâm làm tăng diện tích xây dựng và lấn chiếm kênh rạch đã làm giảm đi đáng kể các diện tích vốn trước đây có chức năng điều tiết mực nước. Thêm vào đó, những trận mưa có vũ lượng lớn xuất hiện ngày càng thường xuyên, khiến dòng chảy tràn đô thị vượt quá khả năng thoát nước của cống, là tác nhân gây ngập chủ yếu hiện nay [7].
Bằng nghiên cứu ứng dụng mô hình thủy lực và mô hình độ cao số tính toán ngập lụt TP.HCM, Bùi Văn Dũng (2012) đã thực hiện mô phỏng thủy lực kết hợp với mô hình độ cao số để mô phỏng bản đồ các khu vực ngập lụt hiện trạng và theo kịch bản nước biển dâng năm 2020 của thành phố [8].
Bên cạnh đó, Lê Sâm (2011) đã thực hiện đề tài nghiên cứu độc lập cấp nhà nước “Nghiên cứu đề xuất các giải pháp chống ngập cho Tp Hồ Chí Minh” do ViệnKhoa học Thủy lợi Việt Nam chủ trì Kết quả đã đánh giá diễn biến thực trạng và nguyên nhân gây ngập lụt trên địa bàn TP.HCM, phân vùng ngập và tiêu thoát nước,tính toán hệ số tiêu thoát nước cho các vùng, tính toán thủy lực toàn thành phố nhằm xác định hệ thống tiêu nước cơ bản cho tổng thể và cho từng vùng cụ thể Đề tài cũng đã đề xuất các giải pháp công trình kiểm soát ngập do mưa, triều, tổ hợp mưa – triều, đồng thời cũng đã đề xuất tiêu chuẩn thiết kế mới cho các công trình chống ngập, đề xuất được công nghệ cống bê tông cốt thép kiểu lắp ghép và thi công trong nước cho các công trình có quy mô lớn, đề xuất được công nghệ kết cấu cống lắp ghép bằng cừ bê tông cốt thép dự ứng lực cho các công trình có quy mô vừa và nhỏ, đề xuất hệ thống quan trắc, giải pháp công nghệ cảnh báo, giám sát ngập cho TP.HCM Cuối cùng kết quả ứng dụng của đề tài là lập dự án xây dựng công trình cống ngăn và kiểm soát triều kết hợp trạm bơm trên kênh rạch Nhảy - rạch Ruột Ngựa, địa điểm xây dựng Quận 6,8 và Bình Tân – TP.HCM được Trung tâm chống ngập TP.HCM có ý kiến chấp nhận kết quả ứng dụng của đề tài [9]. Đồng thời Lê Song Giang (2017) đã xây dựng được một lộ trình thực hiện chiến lược quản lý ngập lụt Tuy nhiên việc đánh giá đầy đủ các yếu tố để đưa ra một lộ trình cho cả thành phố đòi hỏi một nghiên cứu khổng lồ, vượt khả năng đề tài Do vậy, tác giả chỉ tập trung vào phân tích giải pháp xây dựng hồ điều tiết ở Cần Giờ Kết quả phân tích cho thấy, việc xây dựng hồ điều tiết Cần Giờ giúp hạ mực nước hạ lưu sông Sài Gòn – Đồng Nai, làm chậm lại yêu cầu xây dựng hoàn chỉnh hệ thống đê bao dự án 1547 tới năm 2050 [10] Ngoài ra, trong đề tài này, tác giả cũng đã tính toán và đánh giá được tính hiệu quả của các đề xuất, cụ thể: dự án
752 (Quyết định 752/QĐ-TTg ngày 19/6/2001 của Thủ tướng Chính phủ về việc phê duyệt Quy hoạch tổng thể hệ thống thoát nước Tp Hồ Chí Minh đến năm 2020), dự án 1547 của Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn, Quy hoạch thủy lợi chống ngập úng khu vực TP.HCM của Viện Quy hoạch thủy lợi miền Nam Kết quả cho thấy, đến năm 2025, các đề xuất có thể giúp giảm phần nào tổn thất ở vùng ngoại thành nhưng hầu như không có tác dụng ở khu vực nội thành Đối vời vùng nội thành thiệt hại do ngập trong trường hợp triển khai các đề xuất hầu như không thay đổi so với trường hợp hiện trạng Tới năm 2050, các đề xuất không còn tác dụng giảm tổn thất do ngập ở khu vực nội thành Bên cạnh những tiếp cận, phân tích, đánh giá, đề xuất nhằm giảm thiểu rủi ro ngập, trong phạm vi đề tài, vấn đề dự báo, cảnh báo ngập đô thị tự động để đưa ra các giải pháp có hiệu quả chưa được đề cập đến.
Nghiên cứu ứng dụng mô hình PCSWMM trong mô phỏng ngập úng hệ thống thủy lợi Bắc Nam Hà của nhóm tác giả Bùi Tuấn Hải, Lê Viết Sơn, Nguyễn DuyQuang (2021) Khu vực nghiên cứu được chia thành 273 tiểu lưu vực với 24 trạm mưa phân bố rải rác (nguyên lý các tiểu lưu vực sẽ liên kết với trạm mưa gần nhất),gồm 377 nút, 355 đoạn kênh tiêu và 12 cửa xả được thiết lập trong bộ mô hình 1D-2D PCSWMM (liên kết giữa mô hình thủy lực kênh tiêu 1 chiều và mô phỏng 2 chiều các khu ngập) Ngoài ra nghiên cứu còn có định hướng phát triển cấu trúc vận hành tiêu nước trong mô hình Các trạm bơm trong hệ thống cấp thoát nước lưu vực được thiết lập với dạng đặc tính bơm thực tế của máy Các trường hợp này được thiết lập ở dạng Pump Curve trong mô hình PCSWMM, gồm các yếu tố: thời gian mô phỏng (simulation time); mực nước tại điểm nút (Depth) hoặc lưu lượng trên một đoạn kết nối (Flow); kết nối thực hiện sẽ ra kệnh cho bơm hoạt động (STATUS
= ON) hoặc ngắt máy bơm (STATUS = OFF) [11].
Trong những năm gần đây, một vài đề tài/dự án và một số nghiên cứu sử dụng phần mềm, công nghệ mới về vấn đề ngập lụt đô thị TP.HCM, như [12], xây dựng mô hình dự báo và quản lý ngập cho đô thị thông minh, là công cụ quản lý trên nền tảng trực tuyến WebGIS kết hợp AI trong dự báo tổ hợp mưa - triều - lũ [13] xây dựng bản đồ ngập lụt phục vụ công tác chống ngập và quy hoạch đô thị TP.HCM, sử dụng các số liệu hiện trạng về ngập lụt và thiệt hại cho toàn bộ các điểm thường xuyên xảy ra ngập, kết hợp với phần mềm bản đồ GIS xác định giá trị thiệt hại.
Thống kê nghiên cứu về ứng dụng mô hình trong tính toán ngập úng đô thị, [14] tích hợp 1D/1D+2D tính toán ngập lụt đô thị cho lưu vực kênh Nhiêu Lộc - Thị Nghè, dòng chảy trong cống là dòng 1D và dòng chảy mặt tích hợp 1D+2D Năm
Mục tiêu và nội dung cụ thể
Xây dựng mô hình thủy văn lưu vực đô thị tính toán dòng chảy tụ có xét đến các cống nhỏ, thích hợp cho kiểu đô thị Việt Nam và đánh giá khả năng áp dụng thực tế thông qua bài toán thoát nước lưu vực Tân Hóa – Lò Gốm.
1.3.2 Nội dung cụ thể a) Thu thập và xử lý tài liệu, dữ liệu: Điều kiện tự nhiên:
- Số liệu địa hình lưu vực Tân Hóa – Lò Gốm tỷ lệ 1/2.000;
- Số liệu mặt cắt sông, kênh rạch hệ thống sông SG-ĐN;
- Số liệu mưa trận tại các trạm đo mưa trong khu vực, làm điều kiện biên đầu vào mô hình thoát nước đô thị.
- Số liệu lưu lượng tại 4 trạm (Trị An, Phước Hòa, Dầu Tiếng và Cần Đăng), làm điều kiện đầu vào (biên trên) cho mô hình toán.
- Số liệu mực nước tại trạm Vũng Tàu làm điều kiện đầu vào (biên dưới) mô hình toán.
- Dữ liệu ngập (đường, phố thuộc lưu vực Tân Hóa - Lò Gốm) để so sánh, đánh giá giữa kết quả mô phỏng từ mô hình toán và thực tế.
Hệ thống thoát nước đô thị hiện hữu:
- Các công trình kiểm soát ngập triều. b) Thiết lập mô hình hệ thống thoát nước lưu vực Tân Hóa - Lò Gốm:
- Mô hình cống: nhập số liệu các cống chính của lưu vực;
- Mô hình lưu vực đô thị: nhập số liệu lưu vực của các cống chính;
- Thiết lập mạng lưới địa hình 2D kết nối với các nhánh cống chính, mô tả sự lan truyền ngập hai chiều;
- Tích hợp mô hình cống với mô hình lưu vực và mô hình hệ thống thoát nước Tân Hóa - Lò Gốm vào mô hình hệ thống sông Sài Gòn - Đồng Nai. c) Thiết lập mô hình chi tiết hệ thống thoát nước lưu vực Tân Hóa - Lò Gốm (mô hình đối chứng):
- Mô hình cống: nhập số liệu bổ sung các cống nhỏ của lưu vực Tân Hóa - Lò Gốm;
- Mô hình lưu vực: làm lại lưu vực có xét đến các cống nhỏ;
- Tích hợp mô hình cống với mô hình lưu vực Tân Hóa – Lò Gốm vào mô hình hệ thống sông Sài Gòn – Đồng Nai; d) Đánh giá khả năng mô phỏng của hai mô hình thủy văn lưu vực đô thị:
- Xác định bộ thông số của mô hình lưu vực đô thị sao cho kết quả tính với mô hình này khớp nhất với kết quả tính bằng mô hình đối chứng;
- Đánh giá khả năng sử dụng mô hình lưu vực đô thị thay cho mô hình chi tiết hệ thống cống.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.4.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: mô hình cống, mô hình thủy văn, ngập đô thị.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài giới hạn ở lưu vực Tân Hóa - Lò Gốm (THLG) nên các phương pháp nghiên cứu đánh giá cho vùng nghiên cứu cần phải khả thi, phù hợp với điều kiện kinh tế và các điều kiện đặc thù của địa phương về tự nhiên - xã hội.
Ý nghĩa khoa học của luận văn
1.5.1 Tính mới của luận văn Ứng dụng bộ công cụ mô hình mới với phương thức nghiên cứu mới:
- Kế thừa và ứng dụng phần mềm F28 trong tính toán ngập lụt đô thị;
- Nghiên cứu xây dựng mô hình lưu vực thích hợp với cấu trúc đô thị Việt Nam bằng 2 phương pháp:
+ Mô hình theo phương pháp truyền thống nhưng có xét đến hệ thống cống hẻm nhỏ theo cấu trúc đô thị Việt Nam.
+ Mô hình theo phương pháp mới, tích hợp các mô hình con, giữa mô hình2D cho dòng chảy trên mặt đất và mô hình 1Dc cho dòng chảy trong hệ thống cống ngầm Phương pháp này được thử nghiệm thay cho cách truyền thống Hạn chế bớt các dữ liệu cần khai báo trong hệ thống thoát nước chi tiết Vì số lượng các cống trong hẻm nhỏ ở Việt Nam là tương đối lớn, việc thu thập chính xác các thông số cống hay thời gian phải nhập liệu khá lâu Bộ mô hình tích hợp này được phát triển và sẽ thay thế cho lượng lớn thông tin trên qua một thông số mới Đây chính là hướng tiếp cận của phương pháp mới.
1.5.2 Ý nghĩa khoa học của luận văn
Kết quả của luận văn “ Xây dựng mô hình lưu vực thích hợp cho hệ thống thoát nước đô thị Việt Nam, áp dụng cho lưu vực Tân Hóa - Lò Gốm ” sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu đánh giá những phần mềm mô hình hiện có trong tính toán ngập lụt đô thị.
- Nâng cao chất lượng phục vụ thông tin khí tượng thủy văn trong các hoạt động kinh tế - xã hội, vấn đề đô thị, ứng phó biến đổi khí hậu, nước biển dâng;
- Là công cụ hỗ trợ thực hiện giám sát, cảnh báo ngập theo thời gian (liên kết với các phần mềm dự báo ngập khác) giúp giảm các thiệt hại (trực tiếp cũng như gián tiếp) do ngập úng đô thị gây ra.
- Mục tiêu nghiên cứu luận văn là xây dựng mô hình thoát nước đô thị lưu vựcTân Hóa - Lò Gốm: tích hợp mô hình cống và mô hình lưu vực đô thị, nhằm đánh giá tính hiệu quả giữa mô hình mới và mô hình sẵn có (còn gọi là mô hình đối chứng) Từ đó có thể nâng cao tính ứng dụng với những lưu vực có quy mô rộng hơn, mang lại một công cụ hữu ích trong phân tích, đánh giá tình trạng ngập lụt, xác định những thiệt hại do ngập gây ra và là công cụ phục vụ dự báo nguy cơ, rủi ro ngập trong tương lai.
Tổng quan phương pháp nghiên cứu
1.6.1 Phương pháp thu thập, xử lý và biên tập cơ sở dữ liệu
- Thông tin về các yếu tố khí tượng - thủy văn, ngập úng, công trình cấp thoát nước, hệ thống quản lý giao thông…trong khu vực nghiên cứu được thu thập tại các cơ quan, tổ chức quản lý.
- Các dữ liệu thô trên được xử lý và biên tập lại để phù hợp với mục tiêu nghiên cứu.
1.6.2 Phương pháp mô hình toán
Phần mềm F28 (được nghiên cứu và phát triển bởi PGS.TS Lê Song Giang) [14,15] cho phép xây dựng mô hình tích hợp với các mô hình thành phần:
- Mô hình 1D cho sông, kênh;
- Mô hình 1D cho cống thoát nước đô thị và trên mặt đường;
- Mô hình 2D cho sông, hồ, vùng trũng ngập, vùng cửa sông và vùng biển;
- Mô hình dòng thấm 2D theo phương ngang;
- Mô hình 3D cho sông, biển;
- Các công trình điều khiển dòng chảy hoặc có ảnh hưởng tới dòng chảy gồm đập tràn, cống, bờ bao, trạm bơm.
Phần mềm F28 cho phép xét các yếu tố ảnh hưởng tới dòng chảy:
- Mực nước và mực nước thủy triều;
Trong bài toán ngập lụt đô thị, phần mềm hỗ trợ xây dựng mô hình, được lựa chọn làm cơ sở khoa học trong thiết lập mô hình thủy văn lưu vực đô thị ứng dụng tính toán ngập ở lưu vực Tân Hóa - Lò Gốm.
Dòng chảy thoát nước cho một đô thị bắt đầu từ nơi mà giọt nước mưa rơi xuống Giọt nước đó có thể sẽ rơi trên mái nhà hay mặt đất Nước mưa rơi trên mặt đất sẽ chảy tụ về các hố ga và chảy vào cống Nước mưa trên mái nhà cũng sẽ rơi xuống đất rồi tụ về các cống hoặc được dẫn thẳng vảo cống Theo cống, nước chảy ra sông rồi ra biển.
Tính toán dòng chảy thoát nước đô thị, toàn bộ quá trình này sẽ được mô hình hóa Nước chảy trên mái nhà sẽ được mô hình hóa bằng mô hình chảy tụ Dòng chảy trên các khu đất trống có thể được mô hình hóa bằng mô hình hai chiều (2D). Đối với dòng chảy trong hệ thống cống và trên mặt đường, dòng chảy trong sông, kênh được mô hình hóa bằng các mô hình 1 chiều (1D).
Khi tính toán cho một đô thị lớn với quá nhiều các hẻm nhỏ cùng với các ống cống nhỏ bên dưới, làm mô hình chi tiết đầy đủ các đối tượng thì mô hình sẽ rất phức tạp Ngoài ra dữ liệu về một hệ thống cống chi tiết tới từng con hẻm là khó có thể tập hợp Thông thường cách vượt qua khó khăn này là chỉ làm mô hình cho các tuyến cống chính Còn dòng chảy từ trong các khu dân cư (nơi có các con hẻm nhỏ) ra các tuyến cống chính được mô hình hóa bằng một mô hình chảy tụ Tuy nhiên mô hình chảy tụ chỉ cho phép tính dòng chảy từ trong các khu dân cư ra cống chính mà không có khả năng tính được tương tác 2 chiều giữa 2 đối tượng này.
1.6.3 Phương pháp xây dựng bản đồ ngập
Phương pháp này nhằm xác định và biểu diễn độ sâu ngập trên mỗi diện tích sử dụng đất trong vùng nghiên cứu Từ đó, đưa ra một đánh giá khách quan về nguy cơ ngập của khu vực với nguồn số liệu thu thập được Quá trình thực hiện cần lựa chọn một phần mềm có những tính năng đa dạng để đáp ứng các yêu cầu cần thiết khi làm việc.
- Phương pháp thống kê: Tổng hợp và xử lý số liệu khí tượng thủy văn, số liệu địa hình, mạng lưới sông kênh rạch, bản đồ sử dụng đất, mạng lưới thoát nước, các số liệu về triều,….
- Phương pháp kế thừa: Các tài liệu, dữ liệu báo cáo tại địa phương được sử dụng Kế thừa các kết quả nghiên cứu đã công bố của các cơ quan, tổ chức có đề tài/nghiên cứu liên quan Phương pháp này được dùng dựa trên cơ sở nghiên cứu,xem xét, đánh giá và tham khảo các bài nghiên cứu liên quan đã có trước đây kể cả trong và ngoài nước.
TỔNG QUAN LƯU VỰC NGHIÊN CỨU TÂN HÓA - LÒ GỐM 17
Tổng quan khu vực nghiên cứu
Theo Quyết định số 28/2016/QĐ-UBND ngày 12 tháng 08 năm 2016 của UBND Thành phố, tổng số tuyến sông, kênh, rạch trên địa bàn Thành phố là 2.953 tuyến có tổng chiều dài là 4.369km (trong đó phục vụ tưới tiêu là 1.992 tuyến với tổng chiều dài 2.299km; phục vụ thoát nước 849 tuyến với tổng chiều dài 1.094km; phục vụ giao thông thủy 112 tuyến với tổng chiều dài 976km [18] Khu vực nội thành TP.HCM có 05 hệ thống kênh rạch chính với tổng chiều dài khoảng 55km đảm nhận chức năng tiêu thoát nước cho khu vực nội thành, bao gồm:
+ Hệ thống kênh Nhiêu Lộc - Thị Nghè;
+ Hệ thống kênh Tân Hóa - Lò Gốm;
+ Hệ thống kênh Tàu Hũ - kênh Đôi - kênh Tẻ;
+ Hệ thống kênh Bến Nghé;
+ Hệ thống kênh Tham Lương - Bến Cát - Vàm Thuật.
Lưu vực nghiên cứu Tân Hóa - Lò Gốm (THLG) (hình 2.1) nằm ở ranh Tây Nam của nội thành, giáp ranh với ngoại vị, nằm trong khu cận trung tâm của nội thành TP.HCM, tuyến kênh chính có chiều dài khoảng 7,6km chạy từ hướng Đông Bắc xuống Tây Nam Thành phố đi ngang qua các quận: Tân Bình (khu Bàu Cát), quận 11, quận 6, quận Tân Phú và kết thúc tại điểm nối với kênh Tàu Hũ Tổng diện tích lưu vực là 2.498ha (chiếm 3,8% diện tích thành phố).
Mạng lưới hệ thống cống thoát nước lưu vực THLG rất phức tạp Theo Dự án cải tạo kênh THLG với hệ thống thoát nước cấp 2,3 được xây dựng thêm hơn2.500m dài cống hộp, gần 8.000m kè hai bên kênh và 11.500m đường lưu thông trên cống hộp, 7.500 cống bao,… giúp cải thiện và nâng cao chất lượng của hơn 1,2 triệu người dân sinh sống trên lưu vực [19] Hiện nay, hệ thống được phân thành 4 cấp tùy theo kích cỡ và chức năng Hệ thống thoát nước của lưu vực dài 157,1km (cống cấp 2 và 3) đổ vào kênh bằng 22 cửa xả chính và các kênh nhánh phụ.
Hình 2.1 Vị trí địa lý lưu vực Tân Hóa - Lò Gốm và đặc điểm địa hình lưu vực nghiên cứu
2.1.2 Đặc điểm điều kiện tự nhiên
Thành phố Hồ Chí Minh nằm trong vùng chuyển tiếp giữa miền Ðông Nam bộ và đồng bằng sông Cửu Long Ðịa hình tổng quát có dạng thấp dần từ Bắc xuống Nam và từ Ðông sang Tây Nó có thể chia thành 3 tiểu vùng địa hình.
Vùng cao nằm ở phía Bắc - Ðông Bắc và một phần Tây Bắc (thuộc phía Bắc huyện Củ Chi, Đông Bắc quận Thủ Ðức và quận 9), với dạng địa hình lượn sóng, độ cao trung bình 10-25m và xen kẽ có những đồi gò độ cao cao nhất tới 32m, như đồi Long Bình (quận 9).
Vùng thấp trũng ở phía Nam-Tây Nam và Ðông Nam thành phố (thuộc các quận 9, 8, 7 và các huyện Bình Chánh, Nhà Bè, Cần Giờ) Vùng này có độ cao trung bình trên dưới 1m và cao nhất 2m, thấp nhất 0,5m.
Vùng trung bình, phân bố ở khu vực Trung tâm Thành phố, gồm phần lớn nội thành cũ, một phần các quận 2, Thủ Ðức, toàn bộ quận 12 và huyện Hóc Môn. Vùng này có độ cao trung bình 5-10m Nhìn chung, địa hình TP.HCM không phức tạp, song cũng khá đa dạng, có điều kiện để phát triển nhiều mặt Tuy nhiên, địa hình bằng phẳng cũng là một sự khó khăn bởi hàng năm Thành phố phải đối mặt với ngập do triều cường Sự khó khăn này sẽ là một trở ngại trong việc phát triển kinh tế và hội nhập của TP HCM.
Lưu vực THLG chia thành 2 vùng chính Một khu đất chính khá cao bao phủ vùng thượng nguồn của kênh (quận 11 và Tân Bình), phần đất thấp tập trung ở khu vực quận 6, có cao độ dưới 2m Đường đồng mức 2m được xem là ranh giới quan trọng vì mực nước triều của sông lên đến 1,4m trên mực nước biển Nó được xem là rãnh thu nước và thoát nước rất có hiệu quả cho vùng đất có cao độ trên 2m.
- Đất đai trong khu vực được chia làm hai vùng:
+ Đất đai vùng cao, trung bình thuộc loại Feralit có kết cấu cứng, khó thấm nước. + Đất đai vùng trũng thấp thuộc đất phèn, nền đất yếu.
Khu vực nghiên cứu thuộc TP.HCM, có chung đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa cận xích đạo, với hai mùa mưa và mùa khô rõ rệt Mùa mưa bắt đầu từ tháng 5 đến tháng 11, mùa khô từ tháng 12 đến tháng 4 năm sau.
+ Nhiệt độ không khí trung bình quanh năm cao, biên độ dao động nhỏ.
+ Nhiệt độ trung bình năm : 27,4℃
- Mưa:lượng mưa trung bình hàng năm dao động từ khoảng 1200 – 1900mm. Mưa phân bố không đều theo thời gian, mưa tập trung vào các tháng mùa mưa từ tháng
5 đến tháng 10, lượng mưa chiếm khoảng 93% đến 96% lượng mưa năm, các tháng mùa khô lượng mưa chỉ chiếm 10%, đặc biệt các tháng 1; 2; 3 hầu như không có mưa.
+ Độ ẩm trung bình cả năm trên toàn vùng : 78% - 80%
+ Độ ẩm trung bình cả năm tại trạm Tân Sơn Nhất : 77%
+ Độ ẩm trung bình cả năm tại trạm Biên Hòa : 80%
+ Độ ẩm tháng lớn nhất khoảng trên : 90%
+ Độ ẩm tháng thấp nhất dưới khoảng : 30%
+ Độ ẩm biến đổi theo mùa, các tháng mùa mưa trung bình khoảng: 85% - 88%. Các tháng mùa khô trung bình chỉ đạt khoảng: 70% - 75%.
- Bốc hơi: Với nhiệt độ cao, nắng nhiều, lượng bốc hơi trên khu vực đạt trên 1200mm/năm Các tháng mùa khô trong năm có lượng bốc hơi trung bình 130mm đến 160 mm/tháng Các tháng mùa mưa lượng bốc hơi từ 70mm đến 90mm.
- Gió:Hai hướng gió chủ đạo là gió Tây Nam và gió Đông Bắc Gió Đông Bắc từ tháng 11 (hoặc tháng 12) đến tháng 4 (hoặc tháng 5), là hướng gió thổi chủ yếu vào mùa khô Gió Tây Nam thịnh hành trong mùa mưa, từ tháng 5 đến tháng 11.
+ Số giờ nắng trung bình tháng cao nhất vào tháng 2 – 3 với 8,8 giờ/ngày. + Số giờ nắng trung bình tháng thấp nhất vào tháng 9 – 10 với 4,9 giờ/ngày.
Nằm ở hạ lưu của hệ thống sông Đồng Nai – Sài Gòn, TP.HCM có mạng lưới sông ngòi, kênh, rạch dày đặc, phát triển Địa hình tương đối bằng phẳng, chế độ thủy văn, thủy lực của kênh rạch và sông ngòi không những chịu ảnh hưởng mạnh của thuỷ triều biển Đông mà còn chịu tác động rất rõ nét của việc khai thác các bậc thang hồ chứa ở thượng lưu hiện nay và trong tương lai (như các hồ chứaTrị An, Dầu Tiếng, Thác Mơ, Phước Hòa, …) [20] Sông Ðồng Nai - nguồn cấp ngọt chính của thành phố Hồ Chí Minh, bắt nguồn từ cao nguyên Langbiang (ÐàLạt) và hợp lưu bởi nhiều sông khác, như sông La Ngà, sông Bé, có lưu vực khoảng45.000km 2 , lưu lượng bình quân 20- 500m 3 /s (cao nhất trong mùa lũ lên tới10.000m 3 /s), hàng năm cung cấp 15 tỷ m 3 nước.
Thành phố nằm giữa hai con sông lớn là: sông Sài Gòn, sông Vàm Cỏ Đông và chịu ảnh hưởng lớn của sông Đồng Nai, sông Sài Gòn là sông có độ dốc nhỏ, lòng dẫn hẹp nhưng sâu, ít khu chứa nên thuỷ triều truyền vào rất sâu và mạnh Chế độ thuỷ văn, thuỷ lực của kênh rạch trong thành phố chịu ảnh hưởng chủ yếu của sông Sài Gòn Sông Sài Gòn chảy qua tỉnh Bình Dương và TP.HCM, với chiều dài 280km chịu ảnh hưởng nhiều của triều biển Đông quanh năm Thủy triều có thể ảnh hưởng đến gần chân đập hồ Dầu Tiếng, cách cửa sông 148km (ở Ngã Ba Đèn Đỏ nơi hợp lưu với sông Đồng Nai) và cách biển 206km Trên chiều dài sông từ Dầu Tiếng đến Ngã Ba Đèn Đỏ có 17 sông cấp 2 chảy trực tiếp vào sông Sài Gòn, gồm 7 sông bên phải và 10 sông bên trái Tổng diện tích lưu vực các sông nhánh chính là 3.355km 2 , toàn bộ diện tích lưu vực sông Sài Gòn phần lớn đều nằm trong nước 4653km 2 (một ít diện tích thượng lưu thuộc Campuchia 374km 2 ) Chế độ dòng chảy của lưu vực nghiên cứu phụ thuộc nhiều vào chế độ mưa và thủy triều Biển Đông. Dòng chảy biến đổi không đều trong năm phụ thuộc vào mưa và sự điều tiết của các hồ chứa thượng nguồn.
Do lưu lượng mưa phân bố không đều và chế độ dòng chảy trên lưu vực sông cũng phân chia ra làm hai mùa: mùa lũ và mùa kiệt Mùa lũ bắt đầu từ một hoặc hai tháng sau mùa mưa, khoảng tháng 6, tháng 7 hàng năm, kết thúc vào tháng 11 và chiếm khoảng 70 – 80% tổng lưu lượng cả năm Hai tháng tập trung lưu lượng nước nhiều nhất thường là tháng 8 và tháng 9 với đỉnh lũ vào khoảng 60 – 80 l/s.km 2 đối với lưu vực lớn và khoảng 100 – 150 l/s.km 2 đối với lưu vực vừa và nhỏ Mùa kiệt bắt đầu từ tháng 12 và kéo dài 6 tháng cho đến tận tháng 5, tháng 6 năm sau và chiếm khoảng 20 – 30% tổng lưu lượng cả năm.
Hiện trạng ngập lụt tại lưu vực Tân Hóa - Lò Gốm
2.2.1 Tình hình ngập lụt tại TP.HCM
Ngập lụt bắt đầu trở thành vấn nạn của TP.HCM từ cách nay khoảng 20 năm Ngập xảy ra ở cả khu vực nông thôn lẫn khu vực độ thị, trong đó ngập tại các khu vực đô thị diễn ra gay gắt và gây thiệt hại đáng kể.
Qua mỗi năm số điểm ngập ngày càng tăng và diện tích ngập cũng tăng theo Năm 2008, tình trạng ngập lụt Thành phố lên tới đỉnh điểm khi mà số điểm ngập lên tới 126 và diện tích ngập là 36,7ha, gấp 5 lần diện tích quận 1 Cũng từ năm 2008, Thành phố bắt đầu khởi động chương trình chống ngập trên toàn địa bàn. Các giải pháp tạm thời cũng như các dự án hoàn thành đã phát huy tác dụng và số lượng điểm ngập giảm Tới năm 2015, số điểm ngập chỉ còn 23 điểm Tuy nhiên sang tới năm 2016, số điểm tăng vọt trở lại và các vùng ngập đã được xóa nay tái ngập (hình 2.2). Đặc biệt những trận mưa trên 100mm gây ngập kéo dài ở các khu vực trũng thấp như khu vực kênh Tân Hóa - Lò Gốm, đường Kha Vạn Cân (Thủ Đức), khu Phú Định (quận 8), đường Huỳnh Tấn Phát (quận 7).
Hình 2.2 Diễn biến ngập lụt từ 2008 - 2016
(Nguồn: Trung tâm chống ngập Thành phố) a) Ngập do mưa:
Theo số liệu thống kê từ Trung tâm chống ngập TP.HCM, trong năm 2012 với vũ lượng mưa từ 10-30mm liên tục trong thời gian từ nửa giờ đến gần 2 giờ thì đã có nhiều tuyến đường bị ngập, độ sâu ngập phổ biến là 0,1-0,2m Những trận mưa có vũ lượng từ trên 30-100mm, nhiều tuyến đường bị ngập 0,2-0,6m. Đến năm 2017, trên địa bàn Thành phố còn 171 điểm ngập do mưa ở những tuyến đường hoặc hẻm phân cấp do quận, huyện quản lý và 40 điểm ngập do mưa ở những tuyến đường lớn phân cấp Trung tâm Điều hành chương trình chống ngập nước thành phố quản lý Về 40 điểm ngập do mưa ở các tuyến đường lớn, trong đó:
- 23 điểm ngập đã được giải quyết bằng biện pháp cấp bách tạm thời.
- 17 điểm ngập đang xây dựng phương pháp giải quyết hoặc chờ các dự án lớn triển khai. b) Ngập do triều:
Bên cạnh ngập do mưa, Thành phố còn chịu ảnh hưởng ngập bởi triều cường, với mực nước triều 0,25m quận 2 và quận 8 bị ngập với độ sâu ngập từ 0,10 - 0,16m. Mực nước triều từ 1,12 - 1,31m quận 2, 6 và quận 8 bị ngập với độ sâu từ 0,15 - 0,24m Mực nước triều từ 1,32 - 1,50m nhiều quận, huyện bị ngập với độ sâu ngập từ 0,10 -0,40m, độ sâu ngập 0,36 và 0,40m xuất hiện ở đường Lương Định Của quận 2 và đường Tầm Vu quận Bình Thạnh Mực nước triều từ 1,51b-b1,68m nhiều tuyến đường ngập cao, trong đó, đường Lương Đình Của tại cột điện 24, chân cầu Thủ Thiêm ngập sâu đến 0,45m Các quận bị ngập theo thống kê của Trung tâm chống ngập bao gồm: quận 1, quận 2, quận 4, quận 5, quận 6, quận 7, quận 8, quận Thủ Đức, Bình Thạnh, Bình Tân, huyện Nhà Bè, Bình Chánh với độ sâu ngập từ 0,10 - 0,45m. Đến năm 2013, tình hình ngập do triều ở Thành phố vẫn chưa được cải thiện:mực nước triều từ 1,12 - 1,31m gây ngập ở quận 2 và quận 8 với độ sâu ngập 0,10 –0,15m; mực nước triều từ 1,3 - 1,5m gây ngập ở quận 2, quận 6, quận 8, Thủ Đức,Nhà Bè, huyện Bình Chánh với độ sâu ngập từ 0,10 - 0,32m; mực nước triều từ 1,51
- 1,68m gây ngập ở nhiều quận huyện, trong đó khu vực đường Lương Định Của quận 2, phạm vi ngập từ Cột điện 24 đến chân cầu Thủ Thiêm có độ sâu ngập cao nhất khoảng 0,44m.
Tình hình ngập do triều năm 2014 có thay đổi so với năm 2012 và 2013, cụ thể: mực nước triều từ 1,21 - 1,31m chỉ có tuyến đường trên quận 2 bị ngập với độ sâu ngập 0,11m; mực nước triều từ 1,31 - 1,50m gây ngập ở quận 2, quận 5, quận 6, quận 7 và Bình Tân, với độ sâu ngập 0,1 - 0,26m; mực nước triều từ 1,51 - 1,68m gây ngập ở khá nhiều quận, huyện, khu vực đường Lương Định Của quận 2, đoạn từ Cột điện 24 đến chân Cầu Thủ Thiêm mức ngập sâu khoảng 0,43m.
Năm 2015 mực nước triều gây ngập từ khoảng 1,32 - 1,68m, mực nước từ 1,21 - 1,31m không gây ngập như các năm 2012-2014 Năm 2016, độ sâu ngập do triều ít hơn các năm còn lại, Tình hình ngập nước đến năm 2017.
Theo Trung tâm điều hành chương trình chống ngập nước TP.HCM, trong những tháng mùa mưa năm 2018, cứ vài tuần lại xảy ra một vụ ngập nước do mưa với nhiều mức độ nghiêm trọng khác nhau Một trong 2 trận mưa lớn nhất trong năm 2018 là trận mưa vào chiều ngày 19/5 gây ngập 32 tuyến đường Tuyến đường Phan Huy Ích, quận Tân Bình có điểm ngập đến ngực người lớn làm giao thông bị tê liệt Một số tuyến đường khác, 5 tiếng sau khi hết mưa, nước vẫn chưa rút, gây khó khăn cho giao thông, sinh hoạt của người dân Trong khi các kế hoạch chống ngập vẫn còn đang tiếp tục bàn thảo thì trận “siêu mưa” lớn nhất trong lịch sử diễn ra chiều 25/11/2018 đã phá vỡ mọi kỷ lục Số liệu quan trắc trên địa bàn quận 1 cho thấy chỉ trong vòng 90 phút vũ lượng đã đạt 204 mm, khiến cho 59 tuyến đường bị ngập nặng, trên thực tế gần như toàn bộ thành phố bị tê liệt vì ngập Một số khu vực bị ngập nặng như Thảo Điền (quận 2), Hiệp Bình Chánh (quận Thủ Đức), phường 15 (quận Tân Bình), phường Đông Hưng Thuận (quận 12),… phải dùng đến bè, máng để đi lại Hai ngày sau trận mưa, nước vẫn chưa rút hết ở những khu vực bị ngập. Đến 2019 còn 35 tuyến chính được ghi nhận ngập Tuy nhiên, số liệu thống kê cho thấy diện tích ngập trung bình và thời gian ngập trên mỗi tuyến ngập do mưa lại có xu hướng tăng lên từ năm 2013 đến 2019 (hình 2.3 và 2.4).
Hình 2.3 Thống kê số tuyến đường ngập do mưa tại TP.HCM giai đoạn (2000 – 2019)
Hình 2.4 Diện tích ngập trung bình và thời gian ngập trên mỗi tuyến đường ngập do mưa giai đoạn (2009-2013 và 2017-2019)(Nguồn: Tổng hợp từ số liệu của Trung tâm QL HTKT và Dư Phước Tân, 2019)
Mặc dù công tác chống ngập, nâng cấp, cải tạo kênh, rạch thoát nước tại TP.HCM đã đạt được nhiều kết quả đáng ghi nhận trong thời gian qua nhưng tình trạng ngập nước trên địa bàn TP.HCM vẫn còn nhiều tồn tại cần phải giải quyết.
2.2.2 Hiện trạng ngập lụt tại lưu vực Tân Hóa - Lò Gốm
Tại lưu vực thí điểm nghiên cứu Tân Hóa - Lò Gốm, mỗi lần có mưa hay triều cường, tại các tuyến đường lớn ở quận Tân Bình như Đồng Đen, Âu Cơ, Thoại Ngọc Hầu, Lũy Bán Bích và hàng chục tuyến đường trong khu dân cư Bàu Cát, đường cũng như hẻm tràn ngập nước, nhiều nơi ngập rất sâu Khu vực vòng xoay
An Lạc (quận Bình Tân), khu dân cư Bình Phú (quận 6), vòng xoay Cây Gõ (quận 11), ngã tư 3 Tháng 2 và Lê Hồng Phong (quận 10), Phạm Thế Hiển (quận 8)… nước ngập gần nửa bánh xe máy Nước tràn vào nhà dân, nhiều nhà phải trang bị máy bơm để bơm nước ra ngoài Người dân sống dọc bên bờ kênh Nước Đen, kênh Tân Hóa - Lò Gốm là rác ngập trong dòng nước đen kịt và bốc mùi hôi thối, ô nhiễm trầm trọng Mùa mưa hay khi triều cường, nhiều khu dân cư dọc theo 2 tuyến kênh này hầm hập bốc lên mùi nồng nặc của hóa chất từ các cơ sở dệt nhuộm Thời điểm đó, toàn bộ tuyến kênh này đầy rác, nước lưu thông rất yếu Dòng nước đen kịt, nhà sàn cơi nới, lấn chiếm rạch mọc lô nhô, mất trật tự, người dân còn vô tư xả rác và nước thải xuống rạch Trong khi đó, tuyến kênh này là hệ thống thoát nước chính cho toàn bộ lưu vực Bắc Tàu Hủ và Tân Hóa - Lò Gốm, bao gồm các quận 5,
Trong lưu vực Tân Hóa - Lò Gốm có thể thấy ảnh hưởng của triều lên đến cầu Tân Hóa Do không có trạm kiểm soát tại TH-LG, do đó không có số liệu về triều được ghi nhận tại đây.
Hiện nay, kênh Tân Hóa - Lò Gốm đã được đầu tư cải tảo hơn 7km qua 3 quận 6,11 và Tân Phú hoàn thành năm 2015 với kinh phí khoảng 5.000 tỷ đồng Dự án đã làm gần 12km đường nối, tạo bốn khu cảnh quan dọc kênh, xây lắp gần8.000m cống bao thu gom nước thải; nạo vét 300.000m 3 bùn, khơi thông dòng chảy,tạo không khí trong lành dọc tuyến Tuy nhiên đến nay đường xá, bờ kè hai bên đã khang trang nhưng kênh vẫn ô nhiễm nặng, ngập rác, hệ thống thoát nước đã cũ, một số tuyến đường vẫn ngập khi có mưa lớn như đường An Dương Vương, TôHiệu, Phan Anh,…
Nguyên nhân ngập
Nguyên nhân ngập đã được nhiều nghiên cứu chỉ rõ, trong đó các nguyên nhân khách quan bao gồm:
+ Mưa lớn vượt tần suất thiết kế;
Ngoài những nguyên nhân khách quan trên, còn có nguyên nhân chủ quan, gồm:
+ Quá trình phát triển đô thị đã làm thu hẹp và mất dần các thể tích chứa nước tự nhiên như ao hồ, kênh rạch và quá trình bê tông hóa đã làm giảm đáng kể diện tích thấm.
+ Công tác quản lý đô thị chưa chặt chẽ để xảy ra tình trạng lấn chiếm kênh, rạch làm thu hẹp dòng chảy, làm giảm khả năng thoát nước và ảnh hưởng đến tiến độ thực hiện các dự án do chậm bàn giao mặt bằng mà các dự án này thường mang lại hiệu quả lớn.
+ Công tác quy hoạch và xây dựng hệ thống thoát nước chưa kịp quá trình đô thị hóa.
+ Ý thức người dân chưa cao nên việc giữ gìn vệ sinh môi trường và bảo vệ hệ thống thoát nước chưa hiệu quả Việc này làm ảnh hưởng đến khả năng thu nước của hệ thống thoát.
Một số dự án chống ngập hiện nay
2.4.1 Quy hoạch tổng thể thoát nước thành phố đến 2020.
Bản quy hoạch này được phê duyệt tại Quyết định số 752/QĐ-TTg ngày 19/6/2001, nhằm cải tạo, xây dựng hệ thống thoát nước mưa, trong đó tại khu vực nội thành kết hợp sử dụng hệ thống thoát nước hở gồm các sông, kênh rạch, hồ chứa nước hiện có Với 6 vùng thoát nước mưa và 9 lưu vực thoát nước bẩn.
06 vùng thoát nước mưa gồm (hình 2.5) Tần suất tính toán cống cấp 3,4 có chu kỳ ngập lụt là 2 năm; cống cấp 2 có chu kỳ ngập lụt là 3 năm; kênh rạch và trạm bơm cục bộ có chu kỳ ngập lụt là 5 năm.
+ Gồm các quận 1,3,4,5,7,10,11, Phú Nhuận và một phần các quận: Gò Vấp, Bình Chánh, Bình Thạnh, Tân Bình;
+ Kênh rạch chính trong lưu vực là Nhiêu Lộc - Thị Nghè, Tân Hóa - Lò Gốm, Tàu Hủ - Bến Nghé - kênh Đôi.
+ Gồm huyện Hóc Môn và một phần của các quận 12, Gò Vấp, Bình Thạnh, Tân Bình, Bình Chánh;
+ Kênh rạch chính trong lưu vực có Tham Lương - Bến Cát, Bến Đá - Rạch
+ Gồm một phần các quận 6,8, Tân Bình, Bình Chánh;
+ Kênh rạch chính có Rạch Chùa, rạch Nước Lên.
+ Gồm một phần các quận 7,8, Bình Chánh, Nhà Bè;
+ Kênh rạch chính có Kênh Tẻ.
- Vùng Đông Bắc: gồm một phần quận 9, Thủ Đức.
- Vùng Đông Nam: gồm một phần quận 2, quận 9, Thủ Đức.
Hình 2.5 Phân vùng thoát nước mưa của Quy hoạch 752
2.4.2 Quy hoạch thủy lợi chống ngập úng khu vực Thành phố
Quy hoạch được phê duyệt tại Quyết định số 1547/QĐ-TTg ngày 28/10/2008 với mục tiêu hạ mực nước các kênh rạch nhằm hỗ trợ năng lực thoát nước cho các cống xây dựng theo Quy hoạch 752 Với giải pháp xây dựng đê bao và 12 cống ngăn triều chính Theo Quy hoạch 1547, thành phố được chia thành 3 vùng kiểm soát nước:
- Vùng 1: bao gồm toàn bộ khu vực bờ hữu sông Sài Gòn và Nhà Bè, trong đó có khu vực nội thành cũ và khu vực phía nam thành phố cùng một phần đất của tỉnh Long An ở phía bờ tả sông Vàm Cỏ và Vàm Cỏ Đông Vùng này được coi là vùng trung tâm của toàn bộ đồ án quy hoạch.
- Vùng 2: gồm tất cả khu vực ngã ba sông Sài Gòn - Đồng Nai.
- Vùng 3: gồm toàn bộ khu vực sông Nhà Bè - Soài Rạp.
Và một số Quy hoạch khác như Quy hoạch 24; đề xuất đê biển Gò Công - Vũng Tàu, đề xuất cống Soài Rạp, đề xuất đường vành đai III, đề xuất bao nhỏ của Viện Quy hoạch Thủy lợi Miền Nam.
Tình hình ngập lụt đã được cải thiện dần tại một số khu vực do hiệu quả mang lại của việc đầu tư và nâng cấp hạ tầng thoát nước từ các dự án thuộc 03 Quy hoạch
752, Quy hoạch 1547 và Quy hoạch 24 Tuy nhiên, tình trạng ngập nước vẫn còn hiện hữu và đang phát sinh thêm nhiều vấn đề như: xuất hiện thêm nhiều điểm ngập cục bộ mới, và xảy ra tình trạng tái ngập ở một số tuyến đường/khu vực Hơn nữa,hiện nay cả 3 quy hoạch này đang trong quá trình cập nhật do không còn phù hợp với điều kiện thực tế tại thành phố.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu
F28 là phần mềm mô phỏng thủy lực dòng chảy có mặt thoáng, dòng chảy trong tầng chứa nước ngầm và dòng chảy trong hệ thống kín theo không gian 1 chiều/2 chiều/3 chiều với mã nguồn mở Trong nghiên cứu này, phần mềm F28 ứng dụng cho bài toán thoát nước đô thị là sự tích hợp giữa các mô hình thành phần, gồm: mô hình tiểu lưu vực, mô hình 1D sông và kênh, mô hình 1Dc cho cống thoát nước đô thị và trên mặt đường, mô hình 2D theo phương ngang; mỗi mô hình cơ bản lại được xây dựng từ các phần tử theo từng kiểu riêng Bài toán được giải từ phương trình Saint - Venant theo phương pháp thể tích hữu hạn Sự trao đổi nước giữa dòng chảy xảy ra tại hố ga và được tính toán theo phương pháp bán giải tích.
Mô hình có độ phân giải theo khoảng cách giữa các hố ga nên cho phép tính toán dòng chảy trong HTTN khá chi tiết.
Quy mô của mô hình là hữu hạn, phụ thuộc vào dung lượng bộ nhớ và tốc độ tính toán của các máy tính và được ấn định khi biên dịch chương trình Với khả năng của máy tính hiện nay (PC và Laptop) F28 có thể cho phép thực hiện các bài toán với quy mô lên tới vài ngàn nhánh sông, vài chục ngàn đoạn tính trong cống và trên mặt đường Giới hạn đó hoàn toàn không gây trở ngại nào tới việc xây dựng mô hình cho các bài toán phức tạp có thể gặp trong thực tế.
Trong Luận văn này, đáp ứng tính mới được đề xuất, nghiên cứu thay mô hình chảy tụ bằng một mô hình lưu vực mới Mô hình lưu vực mới là một mô hình tích hợp gồm 2 lớp: mô hình con 2D cho dòng chảy trên mặt và mô con 1D trong cống bên dưới Mô hình lưu vực mới này là không có sẵn Tuy nhiên phần mềm F28 [24] có thể cung cấp các phần tử để xây dựng Dưới đây phương pháp tính toán các dòng chảy trong hệ thống thoát nước trong phần mềm F28 cũng như cách sử dụng chúng để tạo mô hình lưu vực mới sẽ được trình bày.
Mô hình 1D cho mạng sông, kênh (mô hình 1D)
Mạng sông là một hệ thống các sông, suối, chi lưu… nối với nhau [22]. Trong tính toán, nó được mô hình hoá thành một mạng lưới với phần tử căn bản là các nhánh sông hoặc nhánh kênh và chúng nối với nhau tại các nút Các nhánh sông sau đó lại được chia thành các đoạn tính được phân cách bởi các mặt cắt Tất cả các nhánh sông, nút, đoạn tính và mặt cắt được đánh số theo thứ tự Lưu lượng và mực nước trên sông sẽ được tính toán tại các mặt cắt [23,24].
Dòng chảy trong sông, kênh hở được mô tả bởi hệ phương trình Saint Venant:
Hình 3.1 Sơ đồ nút sông, kênh
Q: lưu lượng; q: lưu lượng nhập lưu trên 1 đơn vị chiều dài kênh;
A: diện tích mặt cắt ướt; ua: thành phần vận tốc dọc trục sông của q;
K: module lưu lượng được tính theo công thức:
R: bán kính thủy lực; n: hệ số nhám Manning
Tại các nút sông nơi các nhánh sông nối với nhau, phương trình bảo toàn thể tích nước ở dạng tích phân được sử dụng: i i
WJ: thể tích nút kênh J;
Qi: lưu lượng chảy theo chiều ra khỏi nút ngang qua phần mặt cắt kiểm soát của nút vào nhánh kênh i;
Li: chiều dài đoạn sông của nhánh sông i được tính vào thể tích nút Điều kiện biên Điều kiện biên lưu lượng tại các nút thượng lưu : Q b f (t) 1 Điều kiện biên mực nước tại các nút hạ lưu: b f (t) 2
Mô hình 1D cho dòng chảy trong cống và trên đường (mô hình 1Dc)
Dòng chảy trong cống là dòng chảy một chiều Tuy nhiên, khác với kênh hở, trạng thái chảy trong kênh có thể thay đổi Có lúc là không áp nhưng cũng có thời gian lại ở trạng thái có áp Dòng chảy trên đường (khi bị ngập) tùy yêu cầu tính toán mà có thể xem là dòng chảy 1 chiều hoặc 2 chiều Do dòng chảy trên đường và dòng chảy trong cống luôn đi một cặp và có tương tác chặt chẽ với nhau nên hai dòng chảy này được tính bằng một sơ đồ chung Trong tính toán, phân biệt 3 trạng thái chảy khác nhau trong hệ thống cống và đường phố, sơ đồ của 3 trạng thái chảy này được trình bày trênhình 3.2.
Hình 3.2 Ba trạng thái chảy trong cống - đường
Các phương trình cơ bản gồm:
- Phương trình liên tục của dòng chảy trên đường:
- Phương trình liên tục của dòng chảy trong cống:
- Phương trình động lượng cho dòng chảy trên đường:
- Phương trình động lượng cho dòng chảy trong cống (không áp và có áp):
Trong đó: Ad, Kd và Ac, Kc– diện tích mặt cắt ngang và module lưu lượng của đường và cống; Vd, Vc và Qd, Qc – vận tốc và lưu lượng dòng chảy trên đường và trong cống;d vàc– cao trình mặt thoáng trên đường và trong cống tại vị trí hố ga; ql– nhập lưu trên 1 đơn vị chiều dài đường; L - khoảng cách giữa 2 hố ga; Qh – lưu lượng chảy qua miệng hố ga; Sh – diện tích mặt cắt ngang hố ga; và bd – bề rộng đường.
Trường hợp cống được tính toán một cách độc lập với dòng chảy ngoài sông, các phương trình (3.5) - (3.9) được giải với điều kiện biên là mực nước tại nút cửa cống Trường hợp mô hình mạng cống được tích hợp với mô hình mạng sông, nút cửa cống và nút liên kết trên kênh sẽ là chung, có thể tích tuân theo định luật bảo toàn:
Trong đó: C – chu vi kiểm soát bao quanh nút chung; q n – lưu lượng đơn vị chảy qua chu vi kiểm soát ra ngoài Mực nước tại mặt cắt cửa cống được áp đặt bằng mực nước nút chung nhưng không thấp hơn mực nước tương ứng với độ sâu phân giới khi nước chảy ra.
Mô hình chảy tụ (mô hình lưu vực kiểu cũ)
Dòng chảy bề mặt lưu vực được mô phỏng như các bể phi tuyến với phương trình được thiết lập từ phương trình liên tục và công thức Manning:
Q Q ET IN RF dt A dD ( ) 0
Trong đó:D – chiều sâu lớp nước trên lưu vực (m); A – diện tích lưu vực (m 2 );
RF, IN và ET –cường độ mưa, thấm, bốc hơi; Q– lưu lượng chảy vào và thoát ra khỏi lưu vực; W–chiều rộng của lưu vực (m); n–hệ số nhám manning; Dp–chiều sâu vùng trũng; S: độ dốc thủy lực. r
Hình 3.3 Mô hình dòng chảy mặt
Từ (3.11) và (3.12) rút ra phương trình vi phân với ẩn số cần tính là chiều sâu lớp nước D trên lưu vực phụ thuộc thời gian :
Phương trình (3.14) được tích phân theo phương pháp Runger-Kutta bậc 4. Sau khi có D n+1 , Q được tính:
Mô hình dòng chảy hai chiều (mô hình 2D)
Dòng chảy hai chiều được mô tả bởi hệ phương trình vi phân gồm phương trình liên tục và 2 phương trình động lượng theo 2 phương ngang x và y:
Trong đó: U vàV – 2 thành phần vận tốc trung bình chiều sâu theo phương ngang; – cao độ mặt thoáng; D– độ sâu; q s – lưu lượng nguồn;F x , F y – ngoại lực trên các phương x và y; Mx và My – các thành phần lực ma sát do ứng suất rối theo phương ngang gây ra Ngoại lực được tính:
Lực do ứng suất rối theo phương ngang gây ra:
Với: f –hệ số Coriolis f=2sin với- tốc độ quay của trái đất,- vĩ độ);
U q , V q –2 thành phần vận tốc của lưu lượng nguồn;
wx,wy– hai thành phần của ứng suất gió trên mặt nước;
bx,by– hai thành phần của ứng suất ma sát đáy:
ij – ứng suất rối theo phương ngang: x
Về mặt lý thuyết, số lượng điều kiện biên được xác định tùy theo đặc điểm truyền sóng tại các biên Tuy nhiên trong thực tế tính tóan các điều kiện biên thường được áp đặt đơn giản hơn Thông thường điều kiện biên được xác định như sau:
Trên biên kín, điều kiện trượt của vector vận tốc được sử dụng:
Trên biên hở: điều kiện biên là quá trình mực nước hoặc vận tốc:
Ngoài ra lưu lượng tại các điểm nguồn cũng đã biết:
Tích hợp các mô hình con
Có nhiều bài toán không thể dùng mô hình đơn nhất để nghiên cứu, mà giải pháp đơn giản và hiệu quả là sử dụng mô hình tích hợp từ các mô hình con cho từng loại dòng chảy Ngay cả trong trường hợp cần nghiên cứu dòng chảy ở quy mô nhỏ một cách chi tiết, mô hình tích hợp cũng là giải pháp có thể xem xét.
Tích hợp mô hình là kết nối các yếu tố tạo thành dòng chảy sao cho nó diễn ra liên tục từ mô hình con này qua mô hình con khác trong đó các điều kiện bảo toàn về khối lượng và động lượng phải được đảm bảo Bảo toàn về khối lượng có nghĩa là các phương trình liên tục được giải mà ở đó lưu lượng chảy ra khỏi mô hình con này sẽ phải chảy vào mô hình con kia Điều này có thể được thực hiện thông qua số hạng nhập lưu trong các phương trình liên tục hoặc thiết lập và giải một phương trình liên tục chung cho các mô hình con tại vị trí liên kết Tương tự như đối với bảo toàn động lượng, việc truyền động lượng từ mô hình con này sang mô hình con kia được thực hiện thông qua số hạng động lượng hoặc số hạng nhập lưu trong các phương trình động lượng.
F28 cho phép liên kết các mô hình con theo 2 kiểu Đó là liên kết bằng siêu nút và liên kết bằng dòng tràn.
Liên kết bằng siêu nút
Siêu nút là nút chung của 2 mô hình con, ví dụ giữa mô hình 1D với 2D Thể tích của nút được tạo thành từ thể tích của nút 1D và thể tích của các nút 2D tham gia vào siêu nút Hình 3.4 giới thiệu sơ đồ của siêu nút Thể tích của siêu nút gồm thể tích của nút 1D và thể tích của các nút 2D nằm trên interface.
Hình 3.4 Sơ đồ một siêu nút kết nối nô hình 1D với 2D
Mặt giao tiếp liên kết sẽ được chọn đặt ở vị trí mà dòng chảy tương đối thẳng và được lấy sao cho chúng trực giao với các đường dòng sao cho thành phần vận tốc trên bề mặt giao diện xấp xỉ bằng 0 Khi đó mực nước của tất cả các nút 2D trên giao diện có thể được coi là bằng nhau Tất cả dòng chảy vào của các mô hình phụ đều góp phần tạo ra mực nước của nút tối đa tại phần khớp nối thông qua nút siêu. Thể tích của nút được tính bằng định luật bảo toàn khối lượng:
Trong đó WJlà thể tích của siêu nút J; B 2 là chiều rộng của mặt giao diện 2D; qnlà thành phần pháp tuyến với mặt giao tiếp 2D của lưu lượng dòng chảy trên một đơn vị chiều rộng; Q1D là lưu lượng tại mặt giao diện 1D; và QBC là lưu lượng biên tại nút J Các siêu nút kết nối các mô hình con được thực hiện tương tự Lưu lượng tại mặt giao tiếp liên kết, được nội suy từ lưu lượng của 2 mô hình con tham gia liên kết.
3.7.1 Liên kết bằng dòng tràn
Liên kết bằng dòng tràn có thể được thực hiện để kết nối dòng chảy giữa 2 mô hình con 1D với 2D (tại bờ sông), 1D trên đường với 2D (tại mép đường) và 1D trong cống với 2D (tại miệng thu nước) Hình 3.5 giới thiệu một liên kết bằng dòng tràn giữa 2 mô hình con 1D với 2D.
Hình 3.5 Sơ đồ liên kết 1D-2D bằng dòng tràn
Lưu lượng trên một đơn vị chiều rộng của bờ sông được tính bằng công thức đập tràn Khi mực nước tại nút 2D cao hơn mực nước tại nút 1D và bỏ qua cột nước vận tốc thì lưu lượng là:
Trong đó: 2D và 1D – mực nước tại nút 2D và tại mặt cắt 1D; zct – độ cao đỉnh; m và φn – hệ số lưu lượng và vận tốc Từ qt tính toán được, có thể đánh giá sự trao đổi khối lượng và động lượng giữa 2 mô hình con trên mỗi mặt cắt.
Mô hình lưu vực
Mô hình lưu vực là một mô hình tích hợp từ 2 mô hình con: mô hình 2D cho dòng trên mặt và mô hình 1Dc cho dòng dưới bề mặt Cách bố trí các cống trong mô hình lưu vực được giới thiệu trên Hình 3.6 Các cống sẽ được bố trí theo đường chéo của các phần từ 2D Chúng giao nhau nhưng không nối với nhau tại vị trí giao nhau Các cống chỉ nối với nhau tại vị trí các nút 2D Các mô hình con 2D và 1Dc liên kết với nhau bằng dòng tràn qua miệng thu hố ga tại vị trí các nút của mô hình2D và mô hình 1Dc.
Hình 3.6 Sơ đồ lưới tính lưu vực
Các thông số của mô hình con 2D là hệ số rỗng và hệ số nhám manning (được xác định thông qua hiệu chỉnh) Kích thước của phần tử được xác định theo tọa độ các nút Các thông số của mô hình 1Dc là: chiều dài các cống; độ sâu so với mặt đất;đường kính; hệ số nhám manning; kích thước hố ga và miệng hố ga; hệ số lưu lượng của miệng hố ga Ngoại trừ chiều dài công được xác định theo tọa độ, các thông số còn lại của cống được xác định thông qua hiệu chỉnh.
NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH LƯU VỰC THÍCH HỢP CHO HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ VIỆT NAM, THÍ ĐIỂM TẠI LƯU VỰC TÂN HÓA - LÒ GỐM
Thiết lập mô hình hệ thống thoát nước lưu vực Tân Hóa - Lò Gốm theo phương pháp mới
Mạng cống là một tập hợp các nhánh cống, nối với nhau tại các nút Thông thường nước chảy trong lòng cống Khi cống bị ngập hoặc khi có mưa, nước sẽ chảy trong lòng đường Phần mềm F28 xem xét đường là một bộ phận đi kèm với cống và được mô tả chung Trên mỗi nhánh cống và lòng đường có mặt cắt ngang là không đổi Trong tính toán, các nhánh cống được chia thành các đoạn tính với chiều dài bằng khoảng cách giữa các hố ga và mặt cắt tính toán chính là các hố ga.
Các thông số mô tả cho mạng cống bao gồm:
- Toạ độ các nút và bảng topo các nhánh cống;
- Toạ độ các mặt cắt;
- Kích thước cống và bề rộng lòng đường;
- Cao độ mặt đường và cao độ đỉnh cống;
- Khoảng cách giữa các hố ga;
- Diện tích mặt cắt ngang các hố ga;
- Diện tích miệng hố ga và hệ số lưu lượng;
- Chiều dài các đoạn tính;
- Hệ số nhám Manning của cống và lòng đường.
Khu vực nghiên cứu được thiết lập chi tiết có 750 đoạn cống, 507 nút và 5.769 mặt cắt Trong mô hình, vị trí các mặt cắt được xác định một khoảng giãn cách trung bình từ 20-30m (hình 4.1). a) Ranh giới lưu vực nghiên cứu trên nền
Google Earth b) Mạng lưới thoát nước cơ bản của lưu vực THLG trong F28
Hình 4.1 Hệ thống thoát nước lưu vực Tân Hóa - Lò Gốm trong nghiên cứ u
*Ghi chú: Đường xanh lá: cống hình hộp; Đường xanh dương đậm: cống hình tròn; Đường xanh dương nhạt: kênh rạch; Đường đỏ: ranh giới lưu vực nghiên cứu. a) Sơ đồ cống và đường b) Khai báo thông số cống
Hình 4.2 Thiết lập thông số cống trong phần mềm F28
Có 2 loại cống: cống hộp và cống tròn với đường kính của các nhánh cống chính từ 1 đến 2,5m, các nhánh cống nhỏ mặc định đường kính 0,3m; bề rộng đối với loại cống hình hộp dao động trong khoảng 1,5 - 3m; hệ số nhám cống n=0,013; cao trình đỉnh cống 1,0m Đường giao thông chính có bề rộng lên đến 14m, các hẻm nhỏ trung bình khoảng 2 - 3m; hệ số nhám đường n=0,022; cao trình mặt đường 2,0m Cống và đường nằm ngang, chiều dài và khoảng cách của mỗi hố ga cũng tùy thuộc vào khu vực Thông số hố ga đơn có mặt cắt ngang 0,6m 2 , diện tích miệng 0,05m 2 , hệ số lưu lượng là 0,6 và ở cùng cao trình mặt đường.
4.1.2 Mô hình lưu vực theo phương pháp mới tích hợp 2D dòng chảy bề mặt và 1Dc dòng chảy cống ngầm
Thay vì sử dụng mô hình lưu vực cơ bản (mưa - dòng chảy) như từ trước đến nay, nghiên cứu trong luận văn đã thử nghiệm phương pháp mới trong tính toán ngập lụt đô thị Mô hình lưu vực là sự tích hợp giữa mô hình 2D cho dòng chảy trên mặt đất và mô hình 1Dc cho dòng chảy trong hệ thống cống ngầm chưa được mô hình hóa bằng mô hình 1Dc Hình 4.3 trình bày lưới tính của mô hình lưu vực Mưa trên lưu vực sẽ được gán lên các phần tử 2D theo phép nội suy từ lượng mưa tại đo các trạm trên khu vực.
Hình 4.3 Lưới tính mô hình lưu vực
Lưới tính của mô hình con 2D trong thành phần mô hình lưu vực thiết lập cho mô hình hệ thống thoát nước lưu vực Tân Hóa - Lò Gốm được mô tả trên hình4.4 như sau:
Hình 4.4 Lưới tính 2D được hợp thành từ các phần tử tứ giác
Sau đó, cao độ các nút lưới được nội suy bản đồ số hóa DEM và ta có được một mô hình 2D hoàn chỉnh, phục vụ tính toán mức độ lan truyền ngập cho khu vực đô thị Cao độ này làm cơ sở để biểu diễn lượng nước tràn do mưa đến những khu vực trũng, thấp gây ngập cục bộ Đối với mô hình 1Dc trong thành phần mô hình lưu vực, trong tính toán này, đường kính cống được tạm lấy bằng 200mm, độ sâu của cống dưới mặt đất là 0,5m Tích hợp mô hình con 1Dc với mô hình 2D để thay thế cho mô hình thủy văn truyền thống chính là điểm mới của nghiên cứu này.
Hình 4.5 Cao độ địa hình trong miền tính 2D
4.1.3 Tích hợp mô hình thoát nước lưu vực vào mô hình hệ thống sông Sài Gòn
Lưới tính mô hình con 1Dc và mô hình con lưu vực được tích hợp vào mô hình hệ thống sông Sài Gòn – Đồng Nai (kế thừa từ đề tàiNghiên cứu đề xuất lựa chọn chiến lược quản lý ngập lụt thích hợp trên cơ sở các dự án đã, đang và dự kiến triển khai tại TP.Hồ Chí Minh [15]) Hình 4.6 giới thiệu lưới tính của mô hình tích hợp hệ thống thoát nước lưu vực Tân Hóa - Lò Gốm.
Hình 4.6 Lưới tính mô hình tích hợp hệ thống thoát nước lưu vực THLG
Các mô hình con 1Dc và mô hình con 1D được liên kết với nhau bằng siêu nút Mô hình lưu vực liên kết với mô hình 1D bằng liên kết dòng tràn và chỉ thực hiện đối với phần mô hình 2D Mô hình 1Dc trong thành phần mô hình lưu vực không liên kết trực tiếp ra sông, kênh (mô hình 1D) Mô hình lưu vực liên kết với mô hình 1Dc bằng dòng tràn giữa phần mô hình 2D trong thành phần mô hình lưu vực với phần mô hình đường trong thành phần mô hình 1Dc và 2 mô hình 1Dc(trong thành phần mô hình lưu vực và trong thành phần mô hình cống-đường).
Thiết lập mô hình chi tiết hệ thống thoát nước lưu vực Tân Hóa - Lò Gốm
Mô hình chi tiết hệ thống thoát nước lưu vực Tân Hóa - Lò Gốm được thiết lập để tính toán đối chứng với mô hình sử dụng mô hình con lưu vực So thiếu hụt số liệu nên cống trong các con hẻm được xem là có đường kính 300mm.
4.2.1 Mô hình cống 1D/1Dc chi tiết
Khu vực nghiên cứu được thiết lập chi tiết có 9.842 đoạn cống, 7.086 nút và 32.787 mặt cắt Trong mô hình, vị trí các mặt cắt được xác định một khoảng giãn cách trung bình từ 20-30m Riêng với các hẻm, ngõ ngách nhỏ, đoạn tính được chia nhỏ hơn rất nhiều, từ 5-10m. a) Ranh giới lưu vực nghiên cứu trên nền Google Earth b) Mạng lưới thoát nước cơ bản của lưu vực THLG trong F28 c) Chi tiết sơ đồ hệ thống thoát nước lưu vực THLG trong F28
Hình 4.7 Hệ thống thoát nước chi tiết lưu vực Tân Hóa - Lò Gốm trong nghiên cứu
4.2.2 Mô hình lưu vực (mưa - dòng chảy) kiểu truyền thống
Mô hình dòng chảy từ mưa trên các tiểu lưu vực đô thị Căn cứ theo địa hình và hướng chảy lưu vực được phân chia thành các tiểu lưu vực Lớp mô hình này gồm có hơn 20.000 tiểu lưu vực tương ứng cho 9842 nhánh cống lớn nhỏ.
Thông số lưu vực khai báo cho mô hình gồm: bề rộng lưu vực W, độ sâu chết
D, độ dốc lưu vực S0, hệ số nhám Manning n và RF, IN và ET – cường độ mưa, thấm và bốc hơi Nước mưa rơi trên các tiểu lưu vực sau khi trừ phần bốc hơi, ngấm xuống đất và bị giữ lại trong các vùng đất trũng, phần còn lại sẽ chảy tụ về cửa ra Cửa ra của các tiểu lưu vực này là mặt cắt được thiết lập như một HTTN mưa.
4.2.3 Liên kết mô hình con
- Liên kết 1Dc - Lưu vực (siêu nút)
Các mô hình thành phần được kết nối với nhau thành một thể thống nhất, dựa vào yêu cầu bài toán, liên kết bằng siêu nút được sử dụng, liên kết giữa mô hình cống và mô hình lưu vực Có thể hiểu đơn giản là sự cung cấp điều kiện biên lưu lượng tính từ mô hình mưa - dòng chảy đến các hệ thống cống, tạo dòng chảy và sự phân bổ nguồn nước mưa từ các nhánh cống với nhau.
Hình 4.8 Lưới liên kết mô hình con trong mỗi tiểu lưu vực và nhánh cống (tiểu lưu vực có dạng phân giác, nhánh cống màu xám và lưới liên kết màu xanh)
- Liên kết 1Dc-1D: bằng kiểu liên kết nút chung, giữa nút cống 1Dc và nút kênh thủy lực 1D tạo thành các cửa xả thoát nước đô thị.
Bảng 4.1 Vị trí các cửa xả lưu vực Tân Hóa - Lò Gốm
(Nguồn: Sở Xây dựng TP.HCM)
NƯỚC VỊ TRÍ CỬA XẢ TT TUYẾN
THOÁT NƯỚC VỊ TRÍ CỬA XẢ
Nguyễn Văn Luông đối diên 155C
Cẩn số nhà 72E cầu Phạm Văn
3 Đường số 26 khu giải trí Bình
Phú 10 Phạm Văn Chí cầu Phạm Văn
11 Phan Anh số nhà 96 số nhà 355 số nhà 76 cầu Hậu Giang 12 Văn Thân 194B Lò Gốm
5 Hồng Bàng số nhà 372 13 Bà Lài Cửa xả Bà Lài cạnh số nhà 372 14 Rạch Hàng
Hữu Thận giữa 2 cầu Ông
Buông 15 Chu Văn An Cửa xả Chu Văn
Buông 16 Bình Tây Cửa xả Bình Tây
7 Lò Gốm số nhà 577 17 Cao Văn Lầu Cửa xả Cao Văn
Hoàng sau bô rác 18 Mai Xuân
Thưởng Cửa xả Mai Xuân
Luông khu giải trí Bình Phú 19 Phạm Phú Thứ Cửa xả Phạm PhúThứ đối diện 19 20 Bình Tiên Cửa xả Bình Tiên
21 Rạch cầu Mé công viên Đầm
Sen 22 Lũy Bán Bích số nhà 02
Cơ sở dữ liệu tính toán
- Số liệu mưa: Trận mưa tối 06/08/2020, bắt đầu lúc 18h00 và kết thúc cùng ngày lúc 23h30, với bước thời gian là 15 phút.
(Nguồn: Trung tâm chống ngập Tp.HCM)
TT Trạm Trận mưa tối ngày 6/8/2020
Tổng lượng mưa Thời gian mưa
- Số liệu lưu lượng: Mô hình hệ thống thoát nước được tích hợp vào mô hình sông Sài Gòn - Đồng Nai để giải quyết vấn đề điều kiện biên thủy lực, biên thượng nguồn được đặt tại hồ Trị An, Phước Hoà, Dầu Tiếng và Cần Đơn.
Hình 4.9 Lưu lượng hồ Trị An
Hình 4.10 Lưu lượng hồ Phước Hòa
- Số liệu mực nước: dao động mực nước triều được gán tại tuyến biên biển Gò Công – Vũng Tàu (tính từ các hằng số thủy triều).
- Cao độ mặt đất (đường) và cao độ cống được lấy theo cao độ tự nhiên xác định dựa vào bản đồ Địa hình 1/2.000 do Bộ TNMT thành lập.
ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG MÔ PHỎNG CỦA HAI PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CHO HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ LƯU VỰC TÂN HÓA - LÒ GỐM
Hiệu chỉnh - Kiểm định mô hình
Bảng 5.1 thống kê các vị trí/tuyến đường quan trắc ngập tại lưu vực Tân Hóa - Lò Gốm, dựa trên dữ liệu này để so sánh đánh giá kết quả mô phỏng từ phần mềm F28 và thực tế.
Bảng 5.1 Các điểm ngập thực tế tại lưu vực kênh Tân Hóa - Lò Gốm trận mưa ngày 6/8/2020 (Nguồn:Công ty thoát nước đô thị TP.HCM)
- Hệ thống thoát nước đầu tư đã lâu, một số vị trí bị xuống cấp.
- Đường bị trũng cục bộ.
- Bề rộng hiện trạng rạch Bàu Trâu bị thu hẹp làm hạn chế khả năng thoát nước.
* Ghi chú: Thời điểm ngập: là thời điểm nước bắt đầu xuất hiện trên mặt đường đạt 0,1m tại điểm đo.
Theo thống kê bởi Công ty thoát nước đô thị TP.HCM, trận mưa tối ngày6/8/2020, trên lưu vực kênh THLG có 2 tuyến đường bị ngập (bảng 5.1) Tính toán cũng ghi nhận được 2 điểm ngập tại số nhà 950 đường An Dương Vương và số nhà
150 đường Phan Anh, khu vực quận 6.
Thời gian ngập được xác định là thời điểm nước bắt đầu xuất hiện trên mặt đường khi giá trị đạt h1=0,1m; theo như hình 7a) tại An Dương Vương, thời gian nước tràn cống lúc 19h40 với h0=0,0026m, thời điểm ngập h1=0,1m lúc 20h00 Thời điểm nước rút tại vị trí này theo kết quả mô phỏng được là 22h00 Tương tự với điểm ngập hình 7b) tại Phan Anh, h0=0,0013m xảy ra lúc 19h30 và h1=0,15m độ sâu ngập vào lúc 19h50 Thời điểm nước rút là 22h15 Sự chênh lệch khoảng thời gian giữa thực tế (bảng 5.1) và mô phỏng (hình 5.1) khi xét tại 2 vị trí này là không đáng kể.
Tuy nhiên, trong khoảng thời gian duy trì ngập, dữ liệu đo đạc không cập nhật bổ sung thêm các giá trị max (đỉnh ngập); vì vậy, độ sâu ngập sau thời điểm h1=0,1m có thể gia tăng Đỉnh ngập theo kết quả mô phỏng tại An Dương Vương xảy ra lúc 20h30 phút với giá trị là 0,1645m và tại đường Phan Anh là 0,2065m lúc 20h15. a) Điểm đo ngập tại tuyến quan trắc An Dương Vương (Tân Hòa Đông) - SN 950 b) Điểm đo ngập tại tuyến quan trắc Phan Anh (Tô Hiệu) - SN 150
Hình 5.1 Đồ thị biểu diễn độ sâu ngập và thời điểm bắt đầu ngập -thời điểm nước rút tại 2 vị trí đ o
Phạm vi ngập tại thời điểm hmax ở 2 tuyến quan trắc ngập được thể hiện như hình sau: a) Điểm đo ngập tại tuyến quan trắc An Dương Vương (Tân Hòa Đông) - SN 950 b) Điểm đo ngập tại tuyến quan trắc Phan Anh (Tô Hiệu) - SN 150
Hình 5.2 Kết quả tính ngập trên đường An Dương Vương và Phan Anh tại thời điểm đỉnh ngập (Đơn vị thang màu: mét) Ghi chú: vị trí quan trắc ngập Đối với lưu vực Tân Hóa - Lò Gốm, việc quan trắc đo đạc mức ngập khi xảy ra các trận mưa còn hạn chế, đa số các tuyến/điểm quan trắc tập trung nhiều hơn tại khu vực các quận trung tâm của Thành phố Vì vậy, khi so sánh kết quả mô phỏng và thực đo của các trận mưa ngập trong quá khứ chưa thể bao quát toàn diện lưu vực, mà chỉ tập trung một vài vị trí tuyến đường thường bị ngập khi có mưa lớn. Tuy cơ sở dữ liệu còn hạn chế, nhưng các vị trí kiểm tra đều cho được kết quả rất tốt, mức độ sai số và chênh lệch rất thấp Nhận định, hiệu quả của F28 trong mô phỏng tính toán hệ thống thoát nước đô thị có tính tin cậy cao.
Tại các vị trí còn lại, dù không được thống kê số liệu cụ thể, thì khả năng xảy ra tình trạng ngập là có thể kể đến Theo dữ liệu thống kê [25] các tuyến đường thường xuyên bị ngập nặng sau mưa trên lưu vực Tân Hóa Lò Gốm, so sánh [26] với dữ liệu chưa được thống kê ngập thì đặc biệt với trận mưa ngày 6/8/2020, tổng lượng mưa Lý Thường Kiệt (123,2mm), Phú Lâm (110,5mm), An Lạc (102,9mm),
Quang Trung (109,3mm), Dương Quảng Hàm (189,9mm), những tuyến đường sau khả năng ngập xảy ra cao.
Bảng 5.2 Thống kê một vài tuyến đường xảy ra ngập trong trận mưa ngày 6/8/2020
TT Tuyến đường Độ ngập (m)
1 Đường Hòa Bình (từ Kênh Tân Hóa đến Vòng xoay Lạc
2 Đường Tôn Thất Hiệp (từ Tuệ Tĩnh đến 3 Tháng 2) 0,1-0,25
3 Đường Lãng Binh Thăng (từ Tôn Thất Hiệp đến Lò
4 Đường Tân Hóa (từ cầu Tân Hóa đến cầu Ông Buông) 0,1-0,2
5 Đường Mai Xuân Thương (từ Lê Quang Sung đến Hậu
5.1.2 Mô hình lưu vực mới
Sử dụng lại hai vị trí điểm ngập tại số nhà 950 đường An Dương Vương và số nhà 150 đường Phan Anh, khu vực quận 6 để hiệu chỉnh - kiểm định cho phương pháp mô hình lưu vực mới.
Thời gian số liệu ngập dùng trong mô phỏng và kiểm chứng cũng tại trận mưa ngày 6/8/2020.
Kết quả độ sâu ngập tại hai tuyến đường Phan Anh và An Dương Vương từ mô hình lưu vực 2D được thể hiện ởhình 5.3. a) Điểm đo ngập tại tuyến quan trắc Phan Anh (Tô Hiệu) - SN 150 b) Điểm đo ngập tại tuyến quan trắc An Dương Vương (Tân Hòa Đông) - SN 950
Hình 5.3 Kết quả tính ngập trên đường An Dương Vương và Phan Anh tại thời điểm đỉnh ngập (Đơn vị thang màu: mét)
Tương tự với dữ liệu đã so sánh từ mô hình đối chứng ở bảng 5.1, các mức ngập được mô phỏng lại bằng mô hình lưới tính 2D cho kết quả khá tốt và phù hợp với số liệu đo thực tế.
Xác định bộ thông số của hai mô hình lưu vực đô thị
Thông số lưu vực khai báo cho mô hình gồm: bề rộng lưu vực W, độ sâu chết
D, độ dốc lưu vực S0, hệ số nhám Manning n và RF, IN và ET – cường độ mưa, thấm và bốc hơi.
Các thông số thực tế khai báo gồm: bề rộng lưu vực W, cường độ mưa RE và bốc hơi ET Các thông số còn lại dựa vào quá trình hiệu chỉnh - kiểm định mô hình để đưa ra bộ thông số tin cậy nhất.
Bảng 5.3 Bộ thông số hai mô hình thoát nước đô thị
Thông số Mô hình lưu vực mới
Mô hình đối chứng (phương pháp truyền thống) Độ sâu chết D - (*) 0,005 Độ dốc lưu vực S 0 - (*) 1e-04
* Ghi chú: (*): thông số không khai báo trong mô hình lưu vực mới.
Đánh giá khả năng sử dụng mô hình lưu vực đô thị thay cho mô hình chi tiết hệ thống cống
Nhìn chung, cả hai bộ mô hình lưu vực đô thị và mô hình chi tiết hệ thống cống đều thể hiện đúng những dự kiện ngập của lưu vực Tân Hóa - Lò Gốm qua trận mưa được mô phỏng lại ngày 6/8/2020 Tuy nhiên mỗi phương pháp tính đều có những ưu và nhược điểm, tùy vào mục đích ứng dụng sản phầm trong thực tế mà lựa chọn phù hợp. Đối với mô hình hệ thống thoát nước mưa chi tiết, dữ liệu cần khai thác là quá lớn, cần nhiều thông số, loại cống, kích thước của các cống hẻm nhỏ để khai báo vào mô hình Như thế là quá phức tạp, tốn thời gian và khả năng tìm kiếm những thông tin này cũng hạn chế Đối với việc chỉ tính toán trên một lưu vực nhỏ, phương pháp này mang lại kết quả chi tiết và khá tốt, sát với điều kiện thực tế Tuy nhiên nếu ứng dụng mô hình cho khu vực rộng lớn hơn thì rất khó khăn trong việc thu thập đủ dữ liệu. Để tìm ra được mô hình mang lại hiểu quả cao trong cả tính toán mô phỏng lẫn khi ứng dụng thực tế trong quy hoạch và quản lý, phương pháp mô hình mới được nghiên cứu và đề xuất qua luận văn thạc sĩ này Phương pháp mới nghiên cứu mô hình 2D thay cho mô hình thủy văn lưu vực truyền thống Mô hình 2D được xây dựng dựa trên bản đồ số hóa địa hình, mưa rơi trên miền tính 2D sẽ trực tiếp đổ vào hệ thống cống Khu vực có địa hình cao sẽ thoát nước tốt và chảy tràn đến các vùng trũng gây ngập Vì vậy các thông số như độ sâu chết, độ dốc lưu vực được lượt bỏ vì đã có miền tính 2D, giảm thiểu sự sai số đáng kể trong tính toán.
Như đã giải thích được những ưu nhược điểm của hai phương pháp, mỗi bài toán cần giải quyết theo mức độ nào sẽ được áp dụng phương pháp phù hợp.
