NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨHọ tên học viên: LÊ THỊ THANH MINH Giới tính : Nam/ NữNgày, tháng, năm sinh :10-09-1983Nơi sinh : Thanh HóaChuyên ngành:Xây dựng công trình thủy 1 - TÊN ĐỀ TÀI:
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Sử dụng mô hình toánđể dự báo được lưu lượng và chất lượng nước thải chảy về nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng trong tương lai Mô hình hóa lưu lượng và chất lượng nước thải bằng phần mềm SWMM, xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả mô hình hóa, từ đó có thể đề ra phương án vận hành nhà máy một cách hiệu quả Việc nghiên cứu đề tài có thể được ứng dụng cho các dự án tương tự trong tương lai một cách hiệu quả.
Nội dung và phương pháp nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu
Luận văn nghiên cứu những vấn đề sau:
- Nghiên cứu điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội của khu vực
- Các yếu tố ảnh hưởng đến lưu lượng và chất lượng nước thải sử dụng trong việc mô phỏng.
- Cơ sở lý thuyết, các phương trình toán học mô phỏng lưu lượng và chất lượng nước thải.
- Phương pháp mô phỏng lưu lượng và chất lượng nước thải bằng phần mềm SWMM.
- Ảnh hưởng của phương pháp mô phỏng dự báo lưu lượng và chất lượng nước thải đến chế độ vận hành và phương pháp xử lý nước thải tại nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng.
Phương pháp nghiên cứu
Tiếp thu và sử dụng có chọn lọc kết quả nghiên cứu và thành tựukhoa học công nghệ của các tác giả trong và ngoài nước đã nghiên cứu về những vấn đề có liên quan đến đề tài.
Phương pháp thu thập và đánh giá số liệu Điều tra thu thập tài liệu, khảo sát và nghiên cứu thực tế, phân tích đánh giá và tổng hợp tài liệu từ đó rút ra các cơ sở khoa học và khả năng ứng dụng vào thực tiễn.
Phương pháp sử dụng mô hình
Phân tích ưu điểm, nhược điểm và các thế mạnh của mô hình thủy lực SWMM, để giải quyết bài toán lưu lượng và chất lượng nước trong đề tài Quản lý dữ liệu bằng Mapinfo.
Thu thập thông tin tại các đơn vị quản lý dự án, website có liên quan.
Trong đề tài này sử dụng phương pháp thu thậpsố liệu lưu lượng và chất lượng nước thải tại nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng, phân tích, đánh giá số liệu và sử dụng mô hình SWMMđể mô phỏng lưu lượng và chất lượng nước thải.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Việc mô phỏng dự báo lưu lượng và chất lượng nước thải chảy về nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng,cho biết những yếu tố ảnh hưởng đến sự biến đổi lưu lượng cũng như chất lượng nước thải Chúng ta có thể dùng mô hình toán cho dòng chảy và vận tải chất với những điều kiện biên thích hợp, sau đó ứng dụng phương pháp xấp xỉ liên tiếp hay phương pháp sai phân hữu để giải bài toán, đồng thời cũng có thể sử dụng những mô hình thủy lực phù hợp cho mô phỏng.
Từ nghiên cứu cũng như kết quả đạt được từ đề tài chúng ta có thể áp dụng tính toán, mô phỏng cho những dự án tương tự trong tương lai khi muốn quy hoạch xây dựng, vận hành các nhà máy xử lý nước thải cho khu dân cư. Đề tài góp phần giải quyết được việc quy hoạch xây dựng, đồng thời đảm bảo được chế độ vận hành hiệu quả cho nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng, tránh được những biến động lớn về lưu lượng cũng như chất lượng nước thải ảnh hưởng đến hiệu quả vận hành trạm xử lý.
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
2.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Ứng dụng mô h ình MIKE 11 tính toán th ủy lực, chất lượng nước cho lưu vực sông Sài Gòn – Đồng Nai [1]
Với mục tiêu của tính toán thủy lực là để xác định một bộ thông số thuỷ lực phù hợp nhất đối với lưu vực nghiên cứu, phục vụ cho mô hình chất lượng nước.
Xác định bộ thông số chất lượng nước phù hợp nhất cho khu vực nghiên cứu. Trong nghiên cứu này tập trung vào tính toán một số chỉ tiêu chất lượng nước cơ bản quan tâm trong sông theo thời gian và không gian như DO, BOD, tổng Nitơ, tổng Photpho, tổng Coliforms tương ứng với các điều kiện biên thủy lực và các nguồn thải.
Trong nghiên cứu này, phương pháp mô hình toán đã được sử dụng trong việc mô phỏng chế độ thủy văn, thủy lực và chất lượng nước cho hệ thống sông Sài Gòn – Đồng Nai – một lưu vực sông lớn và giữ vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế đất nước Kết quả tính toán, mô phỏng thủy văn, thủy lực chất lượng nước bằng mô hình MIKE 11 khá tốt, cho thấy khả năng ứng dụng hiệu quả của mô hình Tuy nhiên để có thể sử dụng mô hình tốt hơn nữa trong hiện tại và tương lai, đòi hỏi số liệu quan trắc thủy văn, thủy lực và chất lượng nước cần đồng bộ, dày đặc và chính xác hơn.
S ử dụng mô h ình SWMM mô ph ỏng và đánh giá năng lực ti êu thoát t ại khu v ực nội th ành Hà N ội và đề xuất các giải pháp giảm nhẹ t ình tr ạng ngập lụt cho khu v ực [4]
Mô hình SWMM là một mô hình toán học toàn diện, mô phỏng khối lượng và tính chất dòng chảy đô thị do mưa và hệ thống cống thoát nước thải chung Báo cáo tập trungứng dụng mô hình SWMM mô phỏng hệ thống tiêu thoát nước 9 quận nội thành, nằm trong phạm vi mạng lưới sông Tô Lịch với tổng diện tích 77,5m 2
Qua việc tổng quan và phân tích các nghiên cứu, cộng với kết quả thu được từ mô hình SWMM, báo cáo nhận thấy một số tồn tại: quy hoạch tiêu thoát chỉ mới tập trung vào các giải pháp công trình, mang tính đơn ngành; với tần suất thiết kế mưa 10% không đáp ứng những trận mưa hơn 291 mm; ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và quá trìnhđô thị hóa vẫn chưa được xem xét đến.
Từ những đánh giá chung đó, báo cáo đề xuất một số giải pháp mang tính tổng thể như: các hướng giải pháp tạm thời, quản lý tích hợp hệ thống tiêu thoát (hướng tiêu thoát trên các trục đường giao thông, khung pháp lý về “bảo hiểm ngập lụt”, dự báo ngập lụt dựa trên hình thế thời tiết gây mưa lũ, xây dựng bản đồ cảnh báo nguy cơ ngập lụt) Những nội dung được đề cập trên sẽ mang nhiều ư nghĩa khoa học, thực tiễn và có tính cấp thiết cho công tác giảm nhẹ thiệt hại lũ lụt cho thành phố, đặc biệt cho khu vực nội thành trong thời gian tới.
Tính toán mô ph ỏng lan truyền chất sử dụng phần mềm ANSYS [3]
Bài báo đã trình bày một số kết quả bước đầu ứng dụng phần mềm ANSYS mô phỏng lan truyền chấthoà tan trong kênh sông lấy sông Hương làm đối tượng nghiên cứu.
Bài toán truyền lan chất ô nhiễm được xác định bởi các hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng mô tả các định luật vật lý cơ bản Các phương trình này mô tả sự di chuyển lưu chất trên kênh sông và sự lan truyền những chất tan khác nhau Các mô hình liên tục mô phỏng truyền lan chất tan trên kênh sông gồm phương trình Navier Stokes (thành phần thuỷ động lực học), các phương trình truyền tải khuếch tán Trong thực tế nhiều kênh sông có chiều dài lớn, thẳng và nước nông cho nên một số thành phần trong phương trình mô tả có thể được rút gọn.
Hiện nay bài toán giải số các mô hình môi trường đang được đặt ra cấp thiết Một trong những khó khăn chính ở đây là sự thiếu vắng các thuật toán có hiệu quả cũng như không có các phần mềm tính toán tự động Đây cũng là nguyên nhân buộc nhiều nhóm nghiên cứu phải từ bỏ nhiều thành phần trong mô hình ban đầu bằng cách làm giảm thiểu chúng đi Trong bài báo này trình bày một cách tiếp cận cho phép khắc phục hiện trạng trên Phương trình mô tả lan truyền chất trên kênh sông trong dạng tổng quát được giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn với sự trợ giúp của phần mềm thương mại nổi tiếng ANSYS (viết tắt của cụm từ tiếng Anh là ANalysis SYStem).
Trong bài báo này trình bày một cách tiếp cận để giải bài toán môi trường thực tế.
Mô hình lan truyền chất được giải kết hợp với mô hình thuỷ động bằng phương pháp phần tử hữu hạn Để giải số đã ứng dụng bộ chương trình ANSYS đã được áp dụng thành công tại nhiều nước trên thế giới Ví dụ được xem xét trong đề tài này là sông Hương với 8 nguồn xả thải nằm ở các vị trí khác nhau Kết quả của bài báo này mở ra hướng ứng dụng giải quyết các bài toán giám sát chất lượng nước tương ứng.
2.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Stormwater quality calibration by SWMM: A case study in Northern Spain [5]
Trình bày ứng dụngcủa mô hình SWMM đểdự đoántình trạng ô nhiễmtrong thời tiết mưa, trong một lưu vựccó hệ thốngkết hợp thoát nước ởSantander, Tây Ban Nha Chất rắn lơ lửng(SS), nhu cầu oxy hóa học (COD) và tổng NitơKjeldahl (TKN) đã được đo tạilối ra của lưu vựcvà các thông số nàyđã được sử dụngcho hiệu chỉnh và xác nhậncủa mô hình Quá trình hiệu chỉnh và chất lượng thủy lực được mô tả và các giá trịcủa các tham số điều chỉnh được trình bày, và so sánh chúng với những các nghiên cứu khác.
Secondary Development of Storm Water Management Model SWMM Based GIS [6]
Tác giả đã lấy một khu vực trong thành phố Quảng Châu để làm một ví dụ. Phương pháp của hệ thống thoát nước hai lớp (tách dòng) và giao diện dữ liệu mở của mô hình SWMM sử dụng để đạt được sự tích hợp của mô hình SWMM và hệ thống ArcGIS trên nền tảng của Visua Basic 6.0 Kết quả cho thấy mô hình có độ chính xác và độ tin cậy tốt.
Stormwater management and modeling integrating SWMM and GIS [7]
Mô hình quản lý nước mưa (SWMM) được sử dụng để mô phỏng dòng chảy và vận chuyển nước mưa qua các mạng lưới thoát nước Tạo ra các yêu cầu cho SWMM là một nhiệm vụ chuyên sâu và lâu dài Điều này có thể được đơn giản hóa bằng cách tích hợp các thông tin trong một hệ thống thông tin địa lý (GIS) với SWMM để tạo ra các file dữ liệu cần thiết để chạy mô hình Một kế hoạch tổng thể nước mưa đãđược phát triển trong ba lưu vực sông tại thành phố Kansas, Missouri sử dụng IntergraphMicrostation của máy tính và cơ sở dữ liệu Oracle Một ứng dụng Ngôn ngữ Phát triểnMicrostation để tích hợp các thông tin từ GIS tạo các file dữ liệu cần thiết để thực hiện các phân tích thủy văn và thủy lực của SWMM.
Tổng quan về khu vực nghiên cứu
Để cải thiện môi trường nước, cần phải xử lý nước thải sinh hoạt từ nhà dân và cơ quan, doanh nghiệp.
Nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng được xây dựng bằng vốn ODA, là nhà máy xử lý nước thải hiện đại đầu tiên ở Thành Phố Hồ Chí Minh, bắt đầu vận hành từ tháng 5/2009 Nhà máy xử lý nước thải thu gom nước thải từ hộ dân, cơ quan, doanh nghiệp rồi xử lý đạt tiêu chuẩn xả thải trước khi đổ vào môi trường tự nhiên.
Diện tích tổng thể của nhà máy là 46 ha (diện tích xây dựng khoảng 15 ha
Hình 2 1: Phối cảnh nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng
Giai đoạn 1, nhà máy thu gom và xử lý nước thải cho lưu vực kênh Đôi – Tẻ diện tích 915 ha nội đô, phục vụ dân số 426000 người bao gồm các quận 1, 3, 5, và một phần quận 10 Công suất xử lý giai đoạn 1 là 141000 m³/ngày.
Giai đoạn 2 dự kiến nhà máy được mở rộng lưu vực xử lý 2150 ha gồm các quận
4, 5 và một phần của quận 6, 8, 11, Tân Bình, phục vụ dân số khoảng 1390000 người. Công suất sau khi hoàn thành giai đoạn 2 là 512000 m 3 /ngày.
Tuyến cống bao chính dài 6.5 km và chảy về trạm bơm Đồng Diều sau đó được bơm về nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng.
Hình 2 2:Lưu vực thu gom nước thải xử lý giai đoạn 1 và giai đoạn 2
Hình 2 3:Sơ đồ tuyến cống thu gom nước thải
Điều kiện tự nhiên khu vực
Khu vực nghiên cứu gồm các quận 1, 3, 5, và một phần quận 10 thuộc lưu vực thoát nướcTàu Hũ – Đôi – Tẻ nằm trongnội thành của thành phố Hồ Chí Minh.
Lưu vực thoát nước của các quận trung tâm nội thành như quận 1, 3, 5, 10 là những khu vực đất có cao độ từ 2m đến 10m so với mực nước biển đãđược đô thị hóa hoàn toàn.
Trong quá đô thị hóa , địa hình của lưu vực đã thayđổi rất nhiều Tình trạng san lấp các ao hồ, kênh rạch để xây dựng đã gây ra tình trạng ngập úng cho lưu vực Việc nâng cao một số trục đường trong những năm gần đây cũng gây nên những khó khăn cho vấn đề tiêu thoát nước.
Trong lưu vực nghiên cứu có trạm khí tượng Tân Sơn Nhất được xây dựng từ những năm đầu của thế kỷ 20, đến nay đã gần 100 năm Đây là trạm cơ bản và quan trọng nhất trong khu vực Nam Bộ Tài liệu mưa trạm Tân Sơn Nhất được xem là có chất lượng tốt và đáng tin cậy Các yếu tố khí tượng khác như nhiệt độ, độ ẩm, bốc hơi, gió, số giờ nắng, nhiệt lượng, bức xạ được quan trắc từ đầu thập niên 30, số liệu khá dài nên phục vụ tốt cho việc nghiên cứu.
Nhiệt độ trung bình cả năm 27 0 C, nhiệt độ bình quân hàng tháng chênh nhau không đáng kể Nhiệt độ cao nhất vào tháng IV, thấp nhất vào tháng XII, I.
- Nhiệt độ cao nhất tuyệt đối (T max ): 40 0 C (xuất hiện: tháng IV/1912).
- Nhiệt độ thấp nhất tuyệt đối (Tmin): 13,8 0 C (xuất hiện: tháng I/1937).
Bảng 2.1: Thống kê nhiệt độ TB các tháng trong năm, trạm Tân Sơn Nhất ( 0 C)
Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Độ ẩm không khí Độ ẩm biến thiên nghịch biến với nhiệt độ Mùa mưa độ ẩm tương đối cao, độ ẩm trung bình 80 86% Mùa khô,độ ẩm bé hơn, độ ẩm trung bình 71 77% Tháng
IX có độ ẩm trung bình cao nhất 86% Tháng II, III có độ ẩm trung bình thấp nhất 71% Chênh lệch độ ẩm trung bình giữa các tháng khoảng 15% Độ ẩm không khí có thời điểm xuống tới 20% và cũng có lúc đạt 100%. Độ ẩm trung bình năm UTB: 80,0%. Độ ẩm lớn nhất U max : 100%, thời gian xuất hiện tháng XI/1973 Độ ẩm lớn nhất U min : 20%, thời gian xuất hiện tháng III/1969
Bảng 2.2: Thống kê độ ẩm trung bình UTB các tháng, trạm Tân Sơn Nhất (%)
Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Do nền nhiệt độ cao và tương đối ổn định nên lượng bốc hơi cũng tương đối lớn vàổn định, tập trung phần lớn vào các tháng mùa khô và nghịch biến với độ ẩm
Tổng lượng bốc hơi trung bình năm (E TB ): 1.416mm.
Tổng lượng bốc hơi trung bình các tháng mùa mưa (E TB mùa mưa ): 487mm
Tổng lượng bốc hơi trung bình các tháng mùa khô (E TB mùa khô ): 929mm
Bảng 2.3: Bốc hơi trung bình (E TB ) các tháng, trạm Tân Sơn Nhất (mm)
Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Tình hình mưa khu vực thành phố có đặc điểm khí hậu vùng nhiệt đới gió mùa cận xích đạo Lượng mưa phân bố không đều theo không gian và thời gian.
Theo thời gian trong năm có 2 mùa rõ rệt:
- Mùa khô: từ tháng XI đến tháng IV năm sau Tổng lượng mưa mùa khô chỉ chiếm khoảng 10- 20% tổng lượng mưa năm Các tháng I, II, III hầu như không mưa.
- Mùa mưa: từ tháng V đến tháng X Tổng lượng mưa mùa mưa chiếm đến 90% tổng lượng mưa năm.
Mưa thường tập trung trong các tháng mùa mưa, có 2 cực đại vào tháng VI và tháng IX (R > 300 mm).
Bảng 2.4: Phân phối mưa các tháng trong năm trạm Tân Sơn Nhất (mm)
Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Dân số
Toàn TPHCM có dân số khoảng 5 triệu dân vào năm 1997 và dân số vẫn luôn tiếp tục gia tăng Theo điều chỉnh tổng mặt bằng TPHCM tới năm 2020, cơ cấu dân số vào khoảng 10 triệu người trên toàn Thành Phố Xem bảng cân đối giữ dân số hiện trạng
1997 và tới năm 2020 cho 4 quận nội thành bên dưới.
Bảng 2.5:Cân đối giữa dân số hiện trạng và cơ cấu dân số tới năm 2020
Dân số Mật độ, ng/ha Số hộ Dân số Mật độ, ng/ha
Tỉ lệ tăng dân số hàng năm
(Nguồn: Cục thống kê TP HCM, tổng mặt bằng 2020 của UPI [5])
Hình 2 4: Hiện trạng dân số năm 1997 và cơ cấu dân số đến năm 2020
Kết luận chương 2
Khu vực mô phỏng giai đoạn 1, nhà máy thu gom và xử lý nước thải cho lưu vực kênh Tàu Hũ-Đôi – Tẻ diện tích 915 ha nội đô, phục vụ dân số 426000 người bao gồm các quận 1, 3, 5, và một phần quận 10, đây là những quận nội thành.
Theo bảng cân đối dân số hiện tại và tương lai tới năm 2020 mật độ dân sốcác quận nội thành có xu hướng giảm bớt, và gia tăng tại các quận ngoại thành Việcthay đổi mật độ dân số có ảnh hưởng đến lưu lượng và chất lượng nước thảitừng khu vực chảyvề nhà máy Bình Hưng.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ỨNG DỤNG
Cở sở lý thuyết ứng dụng chung
Phương trình chính của cơ sở lý thuyết ứng dụngchung được giải giống như hình thức phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng, phương trình dòng chảy khôngổn định nước thông qua mạng lưới thoát nước của kênh và đường ống Những phương trình này,được gọi là phương trình Saint Venant, có thể được thể hiện theo hình thức cho dòng chảy dọc theo một ống dẫn riêng lẻ.
Trong đó: x–Khoảng cách dọc theo cống, t –thời gian,A – diện tích mặt cắt ướt, Q– lưu lượng,
H – Chiều cao mực nước trong cống, S f – Tổn thất thủy lực trên mỗi mét chiều dài; h f – tổn thất năng lượng cục bộ trên đơn vị chiều dài của cống, g – Là gia tốc trọng trường.
Tổn thất thủy lực trên mỗi mét chiều dài S f được thể hiện trong công thức Maining như sau:
R– bán kính thủy lực, n– hệ số nhám Manning, V– vận tốc dòng chảy (V=Q/A), k=1. Tổn thất năng lượng cục bộ được tính như sau: gL h f KV
K– là hệ số tổn thất cục bộ tại vị trí x, L – là chiều dài cống Để giải phương trình (3.1.1) và (3.1.2) trên mỗi đoạn cống, cần các điều kiện biên ban đầu cho H và Q tại thời điểm 0 cũng như các điều kiện biên tại x=0 và x=L cho tất cả thời gian t.
Khi phân tích mạng lưới cống dẫn, một mối quan hệ liên tục bổ sung là cần thiết cho ngã ba các nút kết nối hai hoặc nhiều ống dẫn với nhau (xem hình 3.1).
Hình 3 1: Liên kết nút đại diện của hệ thống thoát nước
Một bề mặt nước liên tục được giả định là tồn tại giữa mực nước tạinút vàống dẫn vào và thoát các nút Sự thay đổi trong cột thủy lực Htại nútvớithời gian có thể được thể hiện như sau:
Astore– diện tích bề mặt của chính nút đó, As - là diện tích bề mặt đóng góp của các ống dẫn kết nối với nút, Q - là dòng chảythực vào nút (dòng vào– dòng ra)đóng góp của tất cả các ống dẫn kết nối tới nút cũng như bất kỳ bên ngoài đối với dòng vào.
Phương pháp giải chung cho m ỗi c ống
Phương trình (3.1.1), (3.1.2), (3.1.3) được giảibằng cách chuyển đổi chúng thành một bộ rõ ràng của các công thức hữu hạn tính toán dòng chảy trong mỗi ống dẫn và tại đầu mỗi nút cho thời điểm t + Δt như các hàm của các giá trị được biết đến tại thời điểm t. Phương trình giải cho dòng chảy trong mỗi cống là: losses friction ertial gravity t t t Q Q
A = trung bình diện tích mặtcắt ngang dòng chảytrongống dẫn,
R = bán kính thủy lựctrung bình trongống dẫn,
V = vận tốc trung bình dòng chảy trong ống dẫn,
Vi = vận tốccục bộdòng chảy tại vị trí i dọc theo ống dẫn,
Ki = hệ số tổn thất cục bộ tại vị trí i dọc theo ống dẫn,
H1 = cột áptại nút thượng nguồn của ống dẫn,
H2 = cột áp tại nút hạ lưu của ống dẫn,
A1 = diện tích mặt cắtngangở cuối thượng lưu của ống dẫn,
A2 = diện tích mặt cắtngangở cuối hạ lưu của ống dẫn.
Phương trình giải cho cột áp tại mỗi nút là: t t t t t Astore As
Trong đó: Vol là thể tích thực được chảy qua các nút trên các bước thời gian như sau:
0 5 Đểgiải phương trình (3.1.4) và (3.1.5) sử dụng phương pháp xấp xỉliên tiếp như sau:
- Tính toán dòng chảy trong ống dẫn tại thời điểm t t được thực hiện bằng cách giải phương trình (3.1.4) sử dụng cột áp, diện tích và vận tốc tại thời điểm hiện tại t Sau đó thay vào công thức (3.1.5) tính toán cho cột áp bằng cách sử dụng dòng chảy tính toán. Dòng chảy và cột áptại thời điểm t t lần lượt được ký hiệu là Q last và H last
- Phương trình (3.1.4)được giải lặp lại lần nữa, sử dụng cột áp, diện tích và vận tốc tương ứng với Q last và H last vừa tính toán Hệ số được kết hợpsử dụng để tính toán dòng chảy Q new với việc đã tính toán Q last trước đó, Q new được tính theo phươngtrình sau: Q new ( 1 ) Q last Q new để xuất ra giá trị cập nhật của Q new
- Phương trình (3.1.5)được giải lặp lại một lần nữa cho cột áp, sử dụng lưu lượng Q new Với dòng chảy mới, tính toán cho cột áp mới, H new , là trọng số với H last để xuất ra giá trị cập nhật cho cột áp, H new ( 1 ) H last H new
- Nếu H new là đủ cho H last thì quá trình tính toán dừng với Q new và H new như giải cho bước thời gian t t Nếu không H last và Q last được thay thế H new và Q new tương ứng, và lặp lại bước 2.
Trong quá trình tính lặp này SWMM 5 sử dụng hệ số không đổi và bằng 0.5, khoảng hội tụ trung bình của trên nút tính toán là 0.005ft = 0.1524cm, và giới hạn số lần thử là4.
Mô ph ỏng chất lượng nước
Phương trình vận tải chất:
C - nồng độ trung bình trên mặt cắt ngang của chất hòa tan hoặc lơ lửng; Q – lưu lượng; A – diện tích mặt cắt ướt;q l – lưu lượng nhập lưu trên 1 đơn vị chiều dài; C ql – nồng độ chất tải trong lưu lượng nhập lưu; SC- số hạng nguồn, diễn tả tốc độ sản sinh hoặc tiêu hủy chất hoà tan (hoặc lơ lửng);- hệ sốkhuếch tán.
Tại các nút nơi các nhánh nối với nhau, phương trình bảo toàn thể tích nước và bảo toàn chất tải ở dạng tích phân được sử dụng:
WJ - thể tích nút J; Qi – lưu lượng chảy từ nút ra nhánh thứ i (ngang qua mặt cắt kiểm soát của nút); L i – phần chiều dài của nhánh thứi được tính vào thể tích nút; C QbJ
– tải lượng chất đổ vào nút;
QC A C x i - thông lượng dòng chất tải từ nút ra nhánh sông i (ngang qua mặt cắt kiểm soát của nút). Điều kiện biên Đối với phương trình (3.3.1), điều kiện biên Dirichlet (áp đặt nồng độ) được sử dụng tại nơi nước chảy vào và điều kiện biên Neumann được sử dụng tại nơi nước chảy ra Trong trường hợp chế độ dòng chảy tại mặt cắt biên thay đổi, tuỳ pha dòng chảy mà ta sẽ dùng điều kiên biên Dirichlet hoặc Neumman một cách một cách thích hợp.
Trong tính toán số hạng nguồn S C cho bất cứ chất tải nào luôn luôn có thể tuyến tính hoá thành: sC r
Phương trình (3.3.1) cùng với các điều kiện biên được giải bằng phương pháp thể tích hữu hạn.
Giới thiệu phần mềm SWMM
Hiện nay có rất nhiều mô hình khác nhau có thể sử dụng để mô phỏng lưu lượng và chất lượng nước thải như MIKE 11, mô hình QUAL2E và QUAL2E-UNCAS (USEPA), PC SWMM, F28, SWMM Mô hình SWMM được lựa chọn để mô phỏng lưu lượng và chất lượng nước thải.
SWMM (Storm Water Management Model) của EPA là một mô hình động lực học dòng chảy mặt do nước mưa tạo nên, dùng để mô phỏng dòng chảy một thời đoạn hoặc dòng chảy nhiều thời đoạn (thời gian dài) cả về lượng và chất SWMM chủ yếu được dùng cho các vùng đô thị Thành phần runoff của SWMM đề cập đến một tổ hợp các tiểu lưu vực nhận lượng mưa, tạo thành dòng chảy và vận chuyển chất ô nhiễm. Phần mô phỏng dòng chảy tuyến của SWMM đãđề cập đến sự vận chuyển dòng chảy nước mặt qua một hệ thống các ống, các kênh, các công trình trữ hoặc điều tiết nước, các máy bơm và các công trình điều chỉnh nước SWMM xem xét khối lượng và chất lượng của dòng chảy sinh ra từ các tiểu lưu vực, lưu lượng dòng chảy, độ sâu dòng chảy, chất lượng của nước trong mỗi đường ống và kênh dẫn trong suốt thời gian mô phỏng bao gồm nhiều bước thời gian.
Các kh ả năng của mô h ình SWMM
SWMM tính toán được nhiều quá trình thủy lực khác nhau tạo thành dòng chảy, bao gồm:
- Tính lượng mưa biến đổi theo thời gian;
- Bốc hơi trên mặt nước tĩnh;
- Sự cản nước mưa tại các chỗ địa hình lõm có khả năng chứa nước;
- Ngấm của nước mưa xuống các lớp đất chưa bão hòa;
- Thấm của nước ngấm xuống các tầng nước ngầm;
- Sự trao đổi giữ nước ngầm và hệ thống tiêu;
- Chuyển động tuyến của dòng chảy trên mặt đất vàở các hồ chứa phi tuyến.
- Lan truyền dòng chảy tràn trên mặt
SWMM cũng chứa đựng tập hợp các khả năng mô phỏng linh hoạt về thủy lực dòng chảy theo tuyến thông qua một hệ thống tiêu nước gồm nhiều thành phần: các đường ống, các kênh, các công trình trữ nước và xử lý nước, các công trình phân dòng.
Ngoài việc mô phỏng sự hình thành và vận chuyển dòng chảy mặt, SWMM còn có khả năng tính toán được sự vận chuyển chất ô nhiễm có liên hệ với dòng chảy mặt. Các quá trình sau đây có thể được mô hình hóa cho một số phần tử chất lượng do người sử dụng xác định:
- Tích tụ chất ô nhiễm khi trời khô trên khắp các loại đất dung khác nhau.
- Sự rửa trôi chất ô nhiễm từ các loại đất dung riêng biệt trong suốt trận mưa.
- Đóng góp trực tiếp của lượng mưa rơi.
- Suy giảm sự tích tụ chất ô nhiễm khi trời khô do hoạt động quét rửa đường phố.
- Suy giảm sự vận tải chất rửa trôi do hoạt động BMP (quản lý thực hành tốt nhất).
- Sự xâm nhập của dòng chảy vệ sinh khi trời khô và dòng chảy từ bên ngoài vào do người sử dụng chỉ định tại điểm nào đó trong hệ thống tiêu.
- Chuyển động theo tuyến của các phần tử chất lượng nước trên khắp hệ thống tiêu.
- Suy giảm nồng độ chất qua quá trình xử lý trong công trình trữ nước hoặc bởi các quá trình tự nhiên trong các đường ống và kênh.
Các ứng dụng điển h ình c ủa SWMM
- Thiết kế và bốtrí các thành phần của hệ thống tiêu để kiểm soát lũ
- Bố trí các công trình trữ nước (điều hòa nước) và các thiết bị của chúng để kiểm soát lũ và bảo vệ chất lượng nước.
- Lập bản đồ ngập lụt của các hệ thống kênh tự nhiên
- Vạch ra các phương án làm giảm hiện tượng chảy tràn của mạng lưới thoát nước hỗn hợp.
- Đánh giá tác động của dòng chảy vào và dòng thấm lên sự chảy tràn của hệ thống thoát nước thải.
- Tạo ra các hiệu ứng của BMP để làm giảm sự tải chất ô nhiễm khi trời mưa.
Kết luận chương 3
Với những khả năng, ứng dụng, và sơ đồ làm việc của mô hình SWMMđã có, cùng yêu cầu của nội dung đề tài luận văn là mô phỏng lưu lượng và chất lượng nước thải chảy về nhà máy Bình Hưng, trong phạm vi đề tài đã lựa chọn phần mềm SWMM để mô phỏng lưu lượng và chất lượng nước thải.
SWMM là mô hình lớn, có nhiều cách xử lý chi tiết về thủy văn, thủy lực Để sử dụng mô hình có hiệu quả cần phải bỏ nhiều thời gian công sức đầu tư, đồng thời kết hợp với việc quản lý dữ liệu địa hình lưu vực nghiên cứu bằng MapInfo.
MÔ HÌNH HÓA LƯU LƯỢNG VÀ CHẤT LƯỢNG NƯỚC THẢI
Thiết lập mô hình mô phỏng
Sử dụng phần mềm Mapinfo:
- Cập nhật và lấy cao độ địa hình cho hệ thống hố ga thu nước thải, hệ thống cống thoát nước thải
- Phân chia diện tích tiểu lưu vực thoát nước
- Thể hiệnmạng lưới đường cống, hố ga thoát nước của từng tiểu lưu vực
- Đo đạc, tính toán diện tích tiểu lưu vực đã phân chia
Phần mềm SWMM được sử dụng để mô phỏng thủy lực thoát nước cho từng giai đoạn và phương án khác nhau của luận văn.
Mô hình mô phỏng giai đoạn 1 lưu lượng và chất lượng nước thải của nhà máy khi không mưa và khi có mưa
Mô phỏng lưu lượng nước thải
Hình 4 2: Bản đồ mô phỏng lưu vực thoát nước giai đoạn 1 về nhà máy Bình Hưng
Theo thiết kế, giai đoạn 1, nhà máy thu gom và xử lý nước thải cho lưu vực kênh Đôi – Tẻ diện tích 915 ha nội đô, phục vụ dân số 426000 người bao gồm các quận 1, 3,
5, và một phần quận 10 Công suất xử lý giai đoạn 1 là 141000 m3/ngày.
Từ bản đồ thoát nước giai đoạn 1: Sơ đồ hóa thành 39 tiểu lưu vực, 38 đoạn ống và 39 nút Diện tích toàn bộ lưu vực mô phỏng là 914.82 ha, số dân là 426164 người.
4.2.2 Tính toán lưu lượng nước thải khi không mưa và khi có mưa a, Không mưa
Hình 4 3:Sơ đồ SWMM mô phỏng thoát nước thải khi không mưa giai đoạn 1
Lưu lượng nước thải được tính theo công thức sau :
Q tb : lưu lượng nước thải trung bình ngàyđêm.
N: dân số tính toán. q t : tiêu chuẩn thoát nước, quy hoạch thoát nước đến năm 2020 là q t 35 L/người.ngày đêm [5] Nội suy lưu lượng trung bình giây từ bảng 2.6 [18 ] ta có bảng dao động lưu lượng theo giờ
Bảng 4.1: Chiều dài, đường kính ống lưu vực
Bảng 4.2: Hệ số thoát nước không điều hòa theo giờ
Nước sinh hoạt Nước sinh hoạt
Giờ %Qtb Kh Giờ %Qtb Kh
Hình 4 4: Phần trăm lưu lượng nước thải trong 24h
Hình 4 5: Hệ số Pattern nước thải
Bảng 4.3:Lưu lượng nước thải khu dân cư
Diện tích lưu vực, ha
Mật độ dân số năm 1997, người/ha
Tiêu chuẩn nước thải trong nội thành, l/người.day
Lưu lượng nước thải, m3/day
Hình 4 6:Sơ đồ SWMMmô phỏng thoát nước thải khi có mưa giai đoạn 1 b, Khi có mưa
Với các lưu vực thoát nước, thể tích và dòng chảy tạo ra do mưa gồm các đặc trưng :
- Đặc tính của cơn mưa ( cường độ, thời gian mưa, sự phân bố theo không gian và thời gian )
- Đặc tính về bề mặt của lưu vực
- Các quy luật về dòng chảy mặt.
Mùa mưa kéo dài 6 tháng, từ tháng 5 đến tháng 11 Cường độ mưa sử dụng trong mô hìnhđược lấy theo trạm Tân Sơn Nhất với chu kỳ lặp lại là 2 năm Đường IDF tính đến mưa thời đoạn 3h của Phân viện Thủy lợi TP Hồ Chí Minh sử dụng số liệu từ năm 1933 đến năm 1989 Để chọn mẫu và thời đoạn mưa cho biểu đồ mưa thiết kếtại trạm Tân Sơn Nhất, đường tích lũy mưa của mười trận mưa ngày lớn gần đây (với tổng lượng mưa ngày từ 90 đến 120mm tiêu biểu cho chu kỳ trong khoảng từ 2 đến 10 năm) chothấy rằng mưa tập trung trong 3h đầu và kết thúc dần trong vòng 6 giờ
Bảng 4.4:Cường độ mưatại trạm Tân Sơn Nhất.
(Nguồn: Trung tâm Khí tượng Thủy văn phía Nam)
Hình 4 7:Cường độ mưachu kỳ 2 năm tại trạm Tân Sơn Nhất
4.2.3 Điều kiện biên Điều kiện biên mô phỏng lưu lượng nước thải khi không mưa là lưu lượng nước thải tại mỗi nút Lưu lượng nước thải tại mỗi nút được tính toán cụ thể theo tiêu chuẩn thoát nước thải, mật độ dân số của khu vực và diện tích mỗi lưu vực. Điều kiện biên mô phỏng lưu lượng nước thải khi có mưa: Ngoài lưu lượng nước thải tại mỗi nút còn có lượng mưa tại mỗi lưu vực đổ vào nút.
4.2.4 Mô phỏng lưu lượng nước thải vào khi không mưa
Thực hiện mô phỏng trong1 ngày (24h), kết quả mô phỏng tại mặt cắt cống xả về trạm bơm ĐồngDiều như sau:
Bảng 4.5: Diễn biến lưu lượng, mực nước, vận tốc, độ đầy trong ngày tại cống xả về trạm Đồng Diều – Khi không mưa Table - Link Congxa
Khi không có mưa, mực nước thải trong hệ thống cống thoát nước biến đổi theo giờ không khác nhau nhiều,do diện tích lưu vực nghiên cứu lớn, dân cư đông nên hệ số time pattern khá ổn định nhiều giờ liên tục Sự biến đổi mực nước theo sự biến đổi lưu lượng.
Mực nước thấp nhất và cao nhất tại mặt cắt trong đoạn cốngxả về trạm Đồng Diều lần lượt là 0.41m và 0.7m vào lúc 1h00 và 11h00, 12h00 và từ 16h00 đến 23h00.
Hình 4 8:Điển hình diễn biến mực nước trong cống xả nướcthải-khi không mưa
Hình 4 9: Mực nước trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 11h00 – Không có mưa
Hình 4 10: Mực nước trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 13h00 – Không có mưa
Hình 4 11: Mực nước trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 15h00 – Không có mưa
Hình 4 12: Mực nước trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 16h00– Không có mưa
Hình 4 13: Mực nước trong hệ thống cống thoát nước thải lúc23h00–Không có mưa
Vận tốc của nước thải trong cống khi không có mưa biến đổi không nhiều Tại mặt cắt cống xả- thu gom điển hình, vận tốcnhỏ nhất và lớn nhấtlần lượt là 1.14 m/s và 1.71 m/s.
Hình 4 14:Điển hình diễn biến vận tốc trong cống xả thoát nước thải – Không có mưa
Hình 4 15: Vận tốc trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 11h00 – Không có mưa
Hình 4 16: Vận tốc trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 13h00 – Không có mưa
Hình 4 17: Vận tốc trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 15h00 – Không cơ mưa
Hình 4 18: Vận tốc trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 16h00 – Không có mưa
Hình 4 19: Vận tốc trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 23h00 – Không có mưa
Thống kê trong 24h từ phần mềm ta thấy lưu lượng nước thải đầu vào và lưu lượng thoát ra cửa xả tại các thời điểm là khác nhau, nhưng tổng lượng nước vào lớn hơn tổng lượng nước thoát ra Một phần nhỏ lưu lượng nước thải còn lại trọng đường ống và hố ga thoát nước.
Total System Inflow = 2641 m 3 , Total System Outflow = 2525 m 3 Sai số4.6%
Lưu lượng nhỏ nhất và lớn nhất qua mặt cắt cống xả lần lượt là 0.6m 3 /s và 1.94m 3 /s
Hình 4 20: Diễn biến lưu lượng tại MC cống xả vào trạm Đồng Diều – Không có mưa
Hình 4 21: Diễn biến lưu lượngvào hệ thống cống thoát nước thải–Không có mưa
Hình 4 22: Diễn biến lưu lượngra của hệ thống cống thoát nước thải – Không có mưa
Hình 4 23: Diễn biến lưu lượng vào, ra khỏi hệ thống – Không có mưa
Hình 4 24:Lưu lượngtrong hệ thống cống thoát nước thải lúc 11h00 – Không có mưa
Hình 4 25:Lưu lượng trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 13h00 – Không có mưa
Hình 4 26:Lưu lượng trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 15h00– Không có mưa
Hình 4 27:Lưu lượng trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 16h00 – Không có mưa
Hình 4 28:Lưu lượng trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 23h00 – Không có mưa Điển hình elevation profile từ nút J7 đếnJ32 tại một số thời điểm thoát nước thải trong ngày.
Hình 4 29:Điển hình elevation profilenút J7 đếnJ32 lúc 11h00– Không có mưa
Hình 4 30:Điển hình elevation profile nút J7 đếnJ32 lúc 13h00– Không có mưa
Hình 4 31:Điển hình elevation profile nút J7đếnJ32 lúc 15h00– Không có mưa
Hình 4 32:Điển hình elevation profilenút J7 đếnJ32 lúc 16h00–Không có mưa
Hình 4 33:Điển hình elevation profile nút J7đếnJ32 lúc 23h00– Không có mưa
4.2.5 Mô phỏng lưu lượng nước thảikhi cómưa
Thực hiện mô phỏng trong 1 ngày (24h), kết quả mô phỏng tại mặt cắt cống xả về trạm bơm ĐồngDiều như sau:
Bảng 4.6: Diễn biến lưu lượng, mực nước, vận tốc, độ đầy trong ngày tại cống xả về trạm Đồng Diều – Khi có mưa
Table - Link Congxa Flow Depth Velocity Capacity
Khi có mưa,trong thời gian mưa từ 15h đến 18hmực nước thải trong hệ thống cống thoát nước biến đổi theo giờ khác nhau nhiều Lưu vực nghiên cứu lớn, dân cư đông nên hệ số time pattern nước thảikháổn định nhiều giờ liên tục khi không mưa, tuy nhiên khi kết hợp lưu lượng nước mưa lớn,làm biến đổi lưu lượng đáng kể trong đường ống, lưu lượng tăng nhanh từ 15h đến 16h và giảm nhanh sau 16h, khoảng dao động lưu lượng cũng lớn hơn do đó mực nước cũng có sự biến đổi theo đáng kể.
Mực nước thấp nhất và cao nhất tại mặt cắt trong đoạn cống xả về trạm Đồng Diều lần lượt là 0.41m và 1.79m vào lúc 1h00 và 16h00 khi mưa lớn.
Hình 4 34:Điển hình diễn biến mực nước trong cống xả thoát nước thải- Cómưa
Hình 4 35: Mực nước trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 16h00 –Cómưa
Hình 4 36: Mực nước trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 18h00 –Có mưa
Hình 4 37: Mực nước trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 20h00 –Cómưa
Hình 4 38: Mực nước trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 23h00 –Cómưa
Vận tốc của nước thải trong cốngkhi có mưa có khoảngbiến đổinhiều Tại mặt cắt cống xả- thu gom điển hình, vận tốc nhỏ nhất và lớn nhất lần lượt là 1.14 m/s và 3.32 m/s.
Hình 4 39:Điển hình diễn biến vận tốc trong cống xả thoát nước thải –Cómưa
Hình 4 40: Vận tốc trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 16h00–Có mưa
Hình 4 41: Vận tốc trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 18h00–Có mưa
Hình 4 42: Vận tốc trong hệthống cống thoát nước thải lúc 20h00–Cómưa
Hình 4 43: Vận tốc trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 23h00–Cómưa
Thống kê trong 24h từ phần mềm ta thấy lưu lượng nước thải đầu vào và lưu lượng thoát ra cửa xả tại các thời điểm là khác nhau, tổng lượng nước vào lớn hơn tổng lượng nước thoátra nhiều.Khi lưu lượng mưa lớn, chỉ một phần nhỏ lượng nước mưa khi mới bắt đầu mưa dẫn vào hệ thống,còn lại phần lớn lượng nước mưa được tách qua giếng tràn và sử dụng bơm tăng cường thoát nước ra hệ thống kênh Tàu Hũ – Đôi – Tẻ.
Bảng 4.7: Kết quả hệ thống – mùa mưa
Table - System Results Runoff DW Iflow Total Inflow Flooding Outflow
Date Time (CMS) (CMS) (CMS) (CMS) (CMS)
Lưu lượng nhỏ nhất và lớn nhất qua mặt cắt cống xả lần lượt là 0.6m³/s và
12.51m³/s vào lúc 1h00 và 16h00khi cường độ mưa lớn nhất, sau đó giảm dần vào những giờ tiếp theo, đến lúc 1h00 thì lưu lượng thoát nước trở lại như bình thường.
Hình 4 44: Diễn biến lưu lượng đầu vào của hệ thống cống thoát nước thải –Cómưa
Hình 4 45: Diễn biến lưu lượng tại cống xả vào trạm Đồng Diều –Cómưa
Hình 4 46: Diễn biến lưu lượng vào, thoát ra khỏi hệ thống –Cómưa
Hình 4 47: Lưu lượng trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 16h00–Cómưa
Hình 4 48:Lưu lượng trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 18h00–Cómưa
Hình 4 49:Lưu lượng trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 20h00–Cómưa
Hình 4 50:Lưu lượng trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 23h00–Cómưa Điển hình elevation profile từ nút J7 đến J32 tại một số thời điểm thoát nước thải trong ngày.
Hình 4 51:Điển hình elevation profile nút J7đếnJ32 lúc 16h00–Cómưa
Hình 4 52:Điển hình elevation profile nút J7đếnJ32 lúc 18h00–Cómưa
Hình 4 53: Điển hình elevation profile nút J7đếnJ32 lúc 20h00–Cómưa
Hình 4 54: Điển hình elevation profile nút J7đếnJ32 lúc 23h00–Cómưa
4.2.6 So sánh kết quả mô phỏng lưu lượng nước thải khi không mưa và khi có mưa
Sự chênh lệchvề lưu lượng khi không mưa và khi có mưadẫn đến sự chênh lệch mực nước, vận tốc Khi có mưatrên toàn bộ lưu vực, trong thời gian kéo dài từ 15h đến 18hcủa trận mưa hệ thống thoát nước bị quá tải, phần lớn lượng nước mưa sẽ qua giếng tách nước mưa có gắn van 1 chiều và có bơm tăng cường thoát nước,chỉ một phần nhỏ nước mưa sẽ pha loãng vào hệ thống thoát nước thải Lưu lượng mưa lớn cũng gây ngập cho các tiểu lưu vực, thời gian ngập tại các tiểu lưu vực là khác nhau, có thể là từ 0.08h cho lưu vực J5, và 4.35h cho lưu vực J24.
Giếng tách nước mưa được xây dựng cuối tuyến cống chính để tự động xả một phần hỗn hợp nước mưa – nước thải đã pha loãng ra sông, làm giảm kích thước cống bao, đồng thời đảm bảo hệ thống thoát nước, và các công trình liên quan hoạt động ổn định. Điển hình một loại giếng tràn tách nước mưa đang được thiết kế cho hệ thống thoát nước TP Hồ Chí Minh như hình bên dưới.
Hình 4 55: Hình giếng tràn tách nước mưa – thiết kế điển hình cho hệ thống thoát nước TP Hồ Chí Minh
Chế độ làm việc của giếng tràn nước mưa đặc trưng bởi hệ số pha loãng n 0
Q nm : lưu lượng nước mưa chảy vào hệ thống xử lý nước thải
Qnt: lưu lượng nước thải trong mùa khô.
Theo kết quả mô hình mô phỏng thì hệ số pha loãng tính toánđược là n 0 =0.615
Bảng 4 8:So sánh lưu lượng, mực nước, vận tốc khi không mưa khi có mưa tại cống xả vào trạm Đồng Diều Table - Link Congxa
Flow, (CMS) Depth, (m) Velocity, (m/s) Capacity
Không mưa Có mưa Không mưa Có mưa Không mưa
Hình 4 56: So sánh lưu lượng khi không mưa – khi có mưa tại cống xả vào trạm Đồng Diều
Hình 4 57: So sánh mực nước khi không mưa – khi có mưa tại cống xả vào trạm Đồng Diều
Hình 4 58: So sánh vận tốc khi không mưa – khi có mưa tại cống xả vào trạm ĐồngDiều
Hình 4 59:So sánh độ đầy khi không mưa – khi có mưa tại cống xả vào trạm Đồng Diều
Mô phỏng chất lượng nước thải
Thông số tính toán chất ô nhiễm trong nước thải dựa theo tiêu chuẩn TCVN 85-2008 như sau:
- Tiêu chuẩn thoát nước q 35 l/người.ngày
- Tải trọng BOD5 e g/người.ngày
- Tải trọng SS ` g/người.ngày
Thông số mô phỏng nước thải đầu vào trong mô hìnhkhi không mưa
Thông số giả định tính toán trong nước mưa theo WHO
- Nồng độSS = 10-20 mg/l, chọn 15 mg/l
- Nồng độ COD = 10-20 mg/l, chọn 15mg/l
Một số đặc trưng chất lượng nước của dòng chảy mặt ở đô thị [9 ]
- Nồng độ SS = 180-548 mg/l, chọn 350 mg/l
- Nồng độ BOD5 = 12 -19 mg/l, chọn 15 mg/l
- Nồng độ COD = 82-178 mg/l, chọn 130 mg/l
- Nồng độ P tổng= 0.42-0.88 mg/l, chọn 0.6 mg/l
Trong mô phỏng, xác định hàm tích tụ (buildup), giả định các chất ô nhiễm có trong dòng chảy mặt đô thị trong diện tích đất sử dụng trong mỗi lưu vực sẽ tích tụ một hệ số không đổi là 1kg/ha.ngày cho đến giới hạn đạt đến 59.73 kg Đối với diện tích đất thưa hay không sử dụng thì giả định rằng sự tích tụ chỉ bằng một nửa (rate constant 0.5)
Xác định hàm rửa trôi (washoff), ta lần lượt xác định nồng độ các chất ô nhiễm
SS, BOD5, COD, P tổng là 350 mg/l, 15 mg/l, 130 mg/l, 0.6mg/l cho diện tích đất sử dụng và 175 mg/l, 7.5 mg/l, 65 mg/l, 0.3 mg/l cho diện tích đất thưa hay không sử dụng.
Nồng độ các chất ô nhiễm như BOD5,SS, N, P, COD… lần lượt được khai báo tại các nút đầu vào của mô hình.
4.3.2 Mô phỏng chất lượng nước thải khi không có mưa
Khi không mưa, nồng độ chất ô nhiễm BOD5,SS, N, P được tính toán từ mô hình trên toàn bộ lưu vực chỉcó từ nguồn nước thải sinh hoạt, không có nguồn từ mưa hay từ dòng chảy mặt đô thị.
Sự biến đổi của nồng độ các chất ô nhiễm cũng theo sự biến đổi lưu lượng tại mỗi nút vào những thời điểm khác nhau trong ngày, và theo hệ số không điều hòa giờ.
Mô phỏng trong24h ta có kết quả tải trọng các chất ô nhiễm, xuất file tải trọng các chất ô nhiễm trong 1 ngày tại trạm Đồng Diều như sau
Bảng 4.9: Bảngtải trọng ô nhiễm tại trạm Đồng Diều – Khi không cómưa
Tải trọng cácchất ô nhiễm từ các nútcủa từng lưu vực vận chuyển về trạm bơm ĐồngDiều khi không có mưa chỉ là tải trọng chất ô nhiễm có trong nước thải sinh hoạt.
Bảng 4.10: Diễn biến nồng độcác chất ô nhiễm trong ngày tại trạm Đồng Diều –Khi không có mưa
Date Time (MG/L) (MG/L) (MG/L) (MG/L)
Diễn biến nồng độ các chất ô nhiễm như BOD5, SS, N, P tại trạm Đồng Diều trong ngày được thể hiện ở bảng trên, thời điểm nồng độ các chất ô nhiễm lớn nhất là vào lúc 6h, với các giá trị nồng độ lần lượt là 113.57 mg/l, 104.79 mg/l, 12.23 mg/l và 2.99 mg/l.
Hình 4 60: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm BOD5 tại trạm Đồng Diều –Không có mưa
Hình 4 61: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm SS tại trạm Đồng Diều – Không có mưa
Hình 4 62: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm N tổng tại trạm Đồng Diều –Không có mưa
Hình 4 63: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm P tổng tại trạm Đồng Diều –Không có mưa
Hình 4 64: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm BOD5 tại mặt cắt cống xả –Không có mưa
Hình 4 65: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm SS tại mặt cắt cống xả – Không có mưa
Hình 4 66: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm N tổng tại mặt cắt cống xả –Không có mưa
Hình 4 67: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm P tổng tại mặt cắt cống xả –Không có mưa
Hình 4 68:Điển hình nồng độ BOD5 tại nút và trongống lúc 16h00– Không có mưa
Hình 4 69:Điển hình nồng độ SS tại nút và trongống lúc 16h00– Không có mưa
Hình 4 70:Điển hình nồng độ N tổngtại nút và trongốnglúc 16h00 –Không có mưa
Hình 4 71:Điển hình nồng độ P tổng tại nút và trongốnglúc 16h00– Không có mưa
4.3.3 Mô phỏng chất lượng nước thải khi có mưa
Khi có mưa, ngoài nồng độ chất ô nhiễm BOD5, SS, N, P được tính toán từ mô hình trên toàn bộ lưu vực có từ nguồn nước thải sinh hoạt, còn có nguồn từ mưa hay từ dòng chảy mặt đô thị Xét thêm nồng độ COD có trong nước mưa và trong dòng chảy mặt đô thị.
Thời gian 10 đến 15 phút đầu tiên của trận mưa, nước mưa chảy vào hệ thống thoát nước thải mang theo hàm lượng lớn các chất ô nhiễm từ dòng chảy mặt đô thị, và ngay trong nước mưa cũng có thành phần các chất ô nhiễm từ sự ô nhiễm không khí cuốn vào mưa.
Khi có mưa, với lưu lượng nước mưa lớn vào thời điểm nhất định, nồng độ chất ô nhiễm trong nước mưa thấp thì một phần nước mưa sẽ giúp pha loãng nước thải, đồng thời làm giảm đi nồng độ chất ô nhiễm có trong nước thải.
Bảng 4.11: Bảng tải trọng ô nhiễm tại trạm Đồng Diều – Khi có mưa
Tải trọng cácchất ô nhiễm từ các nút của từng lưu vực vận chuyển về trạm bơm ĐồngDiều khi có mưa bao gồm: tải trọng chất ô nhiễm có trong nước thải sinh hoạt, chất ô nhiễm trong nước mưa khi rửa trôi bề mặt đường và bản thân nước mưa cũng có chất ô nhiễm.
Bảng 4 12: Diễn biến nồng độ các chất ô nhiễm trong ngày tại trạm Đồng Diều –Khi có mưa
Date Time (MG/L) (MG/L) (MG/L) (MG/L) (MG/L)
Hình 4 72: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm BOD5 tại trạm Đồng Diều –Cómưa
Hình 4 73: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm SS tại trạm Đồng Diều – Có mưa
Hình 4 74: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm N tổng tại trạm Đồng Diều – Có mưa
Hình 4 75: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm P tổng tại trạm Đồng Diều – Có mưaKhi có mưa, lưu lượng nước mưa lớn chảy vào hệ thống làm nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải giảm mạnh, đó là do sự pha loãng giữa nước mưa và nước thải làm cho nồng độ chất ô nhiễm giảm trong từng thời điểm Tuy nhiên tải trọng chất ô nhiễm về trạm Đồng Diều cao do có sự rửa trôi bề mặt (bề mặt tích tụ chất ô nhiễm lâu ngày) khi mưa và chất ô nhiễm có trong nước mưa.
Hình 4 76: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm BOD5 tại mặt cắt cống xả – Có mưa
Hình 4 77: Diễn biến nồng độ chất ônhiễm SS tại mặt cắt cống xả – Có mưa
Hình 4 78: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm N tại mặt cắt cống xả – Có mưa
Hình 4 79: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm P tại mặt cắt cống xả – Có mưa
Hình 4 80:Điển hình nồng độ BOD5 tại các nút và trongống lúc 16h00 – Có mưa
Hình 4 81: Điển hình nồng độSS tại các nút và trongốnglúc 16h00 – Có mưa
Hình 4 82:Điển hình nồng độ N tổngtại các nút và trongốnglúc 16h00– Có mưa
Hình 4 83:Điển hình nồng độ P tổng tại các nút và trongốnglúc 16h00– Có mưa
Hình 4 84:Điển hình nồng độ COD tổng tại các nút và trongốnglúc 16h00–Có mưa
Trong thời gian mưa bắt đầu từ lúc 15h00 đến 18h00 dừng mưa, nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải giảm đáng kể và vẫn giảm trong những giờ tiếp theo, các giờ còn lại trong ngày khi không có mưa thì nồng độ các chất ô nhiễm gần tương tự như mùa khô.
Hệ số pha loãng nồng độ nước thải khi có mưa tính toán được là n = 0.615
4.3.4 So sánh kết quả mô phỏng chất lượng nước thải khi không mưa và khi có mưa
Khi không có mưa, nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải khá ổn định, ít biến đổi mạnh Khi có mưa, trong khoảng thời gian mưa lớn hàm lượng các chất ô nhiễm trong nước thải giảm đáng kể, và tiếp tục giảm ở những giờ tiếp theo Sau khoảng thời gian mưa 6h thì hàm lượng chất ô nhiễm trong nước thải sẽ trở về bình thường như trước lúc mưa.
Bảng 4.13: So sánh nồng độ các chất ô nhiễm khi không mưa và khi có mưa tại trạm Đồng Diều Table - Node TramDongDieu
BOD5, MG/L SS, MG/L N, MG/L P, MG/L
Hình 4 85: So sánh nồng độ BOD5 khi không mưa và có mưa tại trạm Đồng Diều
Hình 4 86: So sánh nồng độ SS khi không mưa và có mưa tạitrạm Đồng Diều
Hình 4 87: So sánh nồng độ N tổng khi không mưa và có mưa tạitrạm Đồng Diều
Hình 4 88: So sánh nồng đô P tổng khi không mưa và có mưa tạitrạm Đồng Diều Tại thời điểm 16h nồng độ các chất ô nhiễm BOD5, SS, N, P có trong nước thải là thấp nhất, do có pha loãng với lượng nước mưa lớn nên có nồng độ lần lượt là 30.55 mg/l, 37.55 mg/l, 2.16 mg/l và 0.95 mg/l.
So sánh kết quả mô phỏng và thực tế của nhà máy
4.4.1 So sánh lưu lượng nước thải
Từ lưu lượng tính toán mô phỏng được trong mô hình và lưu lượng thực tế vào nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng khi không mưata thấy,lưu lượng mô phỏng thể hiện được xu thế biến đổikhá sát với nhiều thời điểm đo lưu lượng thực tế ghi nhận tại trạm Đồng Diều,kết quả mô phỏng đều và ít dao động hơn so với thực tế đo tại trạm. Tuy nhiên khoảnggiá trị lưu lượng dao độngthực tế lớn hơn so với lý thuyết, đó có thể là do sai khác giữa hệ số không điều hòa theo giờthực tế và lý thuyết.
Bảng 4.14: Sosánh lưu lượng mô phỏng với lưu lượng nước thảitại trạm Đồng Diều năm 2011
Từ kết quả mô phỏng, m3/s
T ừ kết qu ả mô ph ỏng, m3/h
Hình 4 89: Sosánh lưu lượng mô phỏng với lưu lượng nước thải tại trạm Đồng Diều năm 2011
4.4.2 So sánh chất lượng nước thải
Nồng độ BOD5 khi mô phỏng khá phù hợp với kết quả thực tế biến đổi tại trạm Đồng Diều, duy trong khoảng từ 8h00 đến 10h00 lưu lượng môphỏng lớn hơn lưu lượng thực tế, đó có thể là do sự khác biệt về hệ số không điều hòa theo giờ lý thuyết lớn hơn hệ số không điều hòa thực tế.
Bảng 4.15: So sánh nồng độ BOD5 với nồng độBOD5 tại trạm Đồng Diều năm 2011
Từ kết quả mô phỏng, mg/l
Hình 4 90:Đồ thị so sánh nồng độ BOD5 mô phỏng với nồng độ BOD5 tại trạm Đồng Diều năm 2011
Bảng 4.16: So sánh nồng độ SS với nồng độ SS tại trạm Đồng Diều năm 2011
Từ kết quả mô phỏng, mg/l
Hình 4 91:Đồ thị so sánh nồng độ SS mô phỏngvới nồng độ SS tại trạm Đồng Diều năm 2011
Nồng độ SS khi mô phỏng khá phù hợp với kết quả thực tế biến đổi tại trạm Đồng Diều Từ kết quả thực tế trạm Đồng Diều có những ngày nồng độ SS lớn hơn hẳn ở một số thời điểm, đó có thể là do nguồn nước thải sản xuất còn bên trong khu dân cư chưa được xử lý trước khi xả vào hệ thống cống chung thoát nước.
Bảng 4.17: So sánh nồng độ N tổngmô phỏngvới nồng độ N tổng tại trạm Đồng Diều năm 2011
Từ kết quả mô phỏng, mg/l
Hình 4 92:Đồ thị so sánh nồng độ N tổng mô phỏngvới nồng độ N tổng tại trạm Đồng Diều năm 2011
Nồng độ N tổng khi mô phỏng nhỏ hơn so với kết quả thực tế biến đổi tại trạm Đồng Diều Từ kết quả thực tế trạm Đồng Diều ta thấy hàm lượng N tổng khá lớn, lớn hơn gấp 1.5-2 lần kết quả mô phỏng.
Bảng 4.18: So sánh nồng độ P tổng với nồng độ P tổng tại trạm Đồng Diều năm 2011
Từ kết quả mô phỏng, mg/l
Hình 4 93:Đồ thị so sánh nồng độ P tổng mô phỏngvới nồng độ P tổng tại trạm Đồng Diều năm 2011
Nồng độ P tổng khi mô phỏng lớn hơn so với kết quả thực tế biến đổi tại trạm Đồng Diều, nhưng sự lớn hơn là không đáng kể.