ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWMM TRONG TÍNH TOÁN THỦY LỰC VÙNG VEN ĐÔ

Chế độ thủy lực của hệ thống kênh rạch ven đô là rất phức tạp đặc biệt trong việc mô hình hóa các hình thức công trình như đường ống dẫn nước (thải công nghiệp) đổ ra hệ thống kênh mương hở và sông thiên nhiên qua các công trình như hồ ao, cống ngầm, tràn và các công trình chia nước… Việc sử dụng các chương trình tính thủy lực phổ biến để giải các bài toán thủy lực đô thị đã cho ra các kết quả không phù hợp do không mô phỏng được hết các hình thức công trình các trạng thái nước chảy trong các đường ống đơn hay kép chảy với nhiều chế độ chảy khác nhau. Qua quá trình nghiên cứu và các kết quả tính toán thực tiễn chúng tôi xin giới thiệu đôi nét về việc ứng dụng phần mềm SWMM. Một phần mềm hữu hiệu cho việc tính toán mô hình mưa dòng chảy, tiêu thoát nước cho khu vực ven đô.

ứNG DụNG MÔ HìNH SWMM TRONG TíNH TOáN THủY LựC VùNG VEN ĐÔ Th.s Lê Trung Thành B Th.s Trần Hữu Hoàng Cơ sở 2 - Đại học Thủy lợi Tóm tắt: Chế độ thủy lực của hệ thống kênh rạch ven đô là rất phức tạp đặc biệt trong việc mô hình hóa các hình thức công trình nh đờng ống dẫn nớc (thải công nghiệp) đổ ra hệ thống kênh m- ơng hở và sông thiên nhiên qua các công trình nh hồ ao, cống ngầm, tràn và các công trình chia n- ớc Việc sử dụng các chơng trình tính thủy lực phổ biến để giải các bài toán thủy lực đô thị đã cho ra các kết quả không phù hợp do không mô phỏng đợc hết các hình thức công trình các trạng thái nớc chảy trong các đờng ống đơn hay kép chảy với nhiều chế độ chảy khác nhau. Qua quá trình nghiên cứu và các kết quả tính toán thực tiễn chúng tôi xin giới thiệu đôi nét về việc ứng dụng phần mềm SWMM. Một phần mềm hữu hiệu cho việc tính toán mô hình ma dòng chảy, tiêu thoát nớc cho khu vực ven đô. 1. Giới thiệu mô hình Mô hình SWMM (Storm Water Mannagement Model) do Hiệp hội bảo vệ môi trờng của Mỹ (The United States Environmental Protection Agencies - USEPA's) xây dựng, phiên bản đầu tiên vào năm 1971 sau đó liên tục đợc chỉnh sửa và hoàn thiện. Bản mới nhất là SWMM 5.0.07 - năm 2006 (Hình1). Mô hình SWMM dùng để tính toán thủy văn, thủy lực dòng chảy cho hệ thống sông ngòi, kênh, rạch và đờng ống (trong mô hình thủy lực đã đa vào trên 20 loại kênh, sông và đờng ống nh : hình thang, hình chữ nhật, hình tròn, hình tam giác ). Đặc biệt, SWMM mô phỏng bài toán tiêu thoát nớc của hệ thống kênh rạch, đ- ờng ống đô thị hoặc ven đô chịu ảnh hởng của triều trong cho kết quả rất chính xác. Ngoài ra trong phần mềm SWMM các phiên bản mới còn kèm theo modul phân tích ô nhiễm và lan truyền. SWMM là mô hình đã đợc ứng dụng rộng rãi trên thế giới cũng nh ở Việt Nam, phù hợp với nhiều công việc nh thiết kế quy hoạch phòng chống ngập úng cho đô thị, giải các bài toán về ô nhiễm đô thị, thiết kế hệ thống cung cấp nớc Mô hình SWMM gồm nhiều gói nhỏ Block Các Block tính toán chính : RunOff, Transport, Extran và Storage/Treatment Các block phụ : Executive, Rain, Temp, Graph, Combine Mỗi Block có một chức năng khác nhau nhng có sự liên kết với nhau thông qua kết quả của Block này là số liệu đầu vào cho block khác. - Block RunOff phân tích quá trình hình thành dòng chảy từ ma, hay còn gọi ma rào dòng chảy. - Block Transport sử dụng lý thuyết sóng động học để phân tích quá trình lan truyền của sự ô nhiễm dựa theo tiêu chuẩn Shiled. - Block Storage/Treatment là sự nối tiếp của block Transport trong việc tính toán lan truyền lắng đọng, đóng cặn của các chất thải có kể yếu tố khí hậu. - Block Extran là khối tính toán thủy lực hệ thống theo phơng trình Saint Venant. Block Extran mô phỏng toàn diện hệ thống sông ngòi, kênh rạch và đờng ống có áp và không áp, các hình thức công trình nh cống, đập, máy bơm, hồ điều hòa với nhiều kích thớc đặc trng khác nhau. Bai 17 1 Hình 1. Giao diện chính của SWMM 2. ứng dụng SWMM trong tính thủy lực khu vực ven đô có chịu ảnh hởng triều Mô hình SWMM đã đợc ứng dụng khá phổ biến ở trong xây dựng, thủy lợi. Nh trong công tác quy hoạch hệ thống đờng tiêu thoát nớc đô thị, xác định cao trình cho các khu đô thị mới Nhóm tác giả khi nghiên cứu và tính toán thủy lực tiêu thoát cho khu vực Tham Lơng - Bến Cát Rạch nớc Lên (đây là khu vực thuộc quận ven đô thành phố Hồ Chí Minh, trong địa bàn có nhiều khu công nghiệp, hệ thống kênh rạch gồm các đờng ống tiêu thoát kết hợp hệ thống kênh mơng nối với sông Sài Gòn và chịu ảnh hởng triều), đã lựa chọn sử dụng mô hình SWMM do có nhiều tính chất phù hợp. Trong đó, khi xây dựng hệ thống mạng thủy lực để tính toán chi tiết việc tiêu thoát nớc cho vùng nghiên cứu chúng tôi đã chia thành 14 tiểu vùng và mô hình hóa toàn bộ hệ thống kênh rạch, đờng ống, lu vực tiêu thoát của hệ thống kênh Tham Lơng Bến Cát Rạch Nớc Lên thành 403 nút, 396 đoạn và 204 lu vực. Qua phân tích số liệu ma và mực nớc cho thấy : vào tháng 10, 11 tại khu vực nghiên cứu thờng xuất hiện mực nớc cao nhất kết hợp với ma với cờng độ lớn. Do đó, chọn thời đoạn tính toán vào tháng 10 là tháng thờng xảy ra tổ hợp bất lợi nhất (mực nớc cao, ma lớn) làm số liệu biên cho việc tính toán tiêu thoát nớc. Do việc tiêu thoát nớc chủ yếu cho khu dân c đô thị, nên trong tính toán đợc xét với các chỉ tiêu thông số kỹ thuật của đô thị phát triển hoàn chỉnh. - Để tiêu thoát nớc nớc ma giả thiết mật độ dự kiến 120 ữ 150 m cống/ha (với kích thớc 1.5m x 1m). - Mô hình ma thiết kế đa vào tính toán là mô hình ma với tần suất thiết kế là P = 20% ứng với thời gian 180 phút, tổng lợng ma thiết kế là 99.4mm. Dạng phân phối của mô hình ma thiết kế lấy theo số liệu trạm ma Tân Sơn Nhất. Bảng 1. Mô hình ma thiết kế trạm Tân Sơn Nhất với tần suất P = 20% (chu kỳ 5 năm) Bai 17 2 Hình 4. Sơ đồ mạng, nút hệ thống kênh rạch Tham Lơng - Bến Cát - Rạch Nớc Lên Hình 2. Quá trình hình thành dòng chảy (Runoff) Hình 3. Mô phỏng block Transport Thời đoạn (phút) 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 Lợng ma (mm) 18.5 36.1 13.6 7.9 5.3 4.9 3.3 2.9 2.1 1.7 1.6 1.5 - Biên mực nớc : Bài toán thủy lực toàn mạng tháng 10 tính toán với trờng hợp biên mực nớc Vũng Tàu với tần suất P = 10%, hồ Dầu Tiếng xả với lu lợng 1000 m 3 /s. Hồ Trị An và hồ Phớc Hòa xả trên 8000 m 3 /s (đây là giá trị xả lớn nhất cho phép của các hồ). Từ kết quả tính toán cho bài toán lớn (toàn mạng), tính đợc quá trình mực nớc giờ tại Vàm Thuật (sông Sài Gòn) và Chợ Đệm (sông Chợ Đệm) kết quả bảng 2. Đây là mực nớc làm biên cho bài toán thủy lực hệ thống kênh Tham Lơng Bến Cát Rạch Nớc Lên đã nói trên. Bảng 2. Mô hình triều thiết kế tại Vàm Thuật và Chợ Đệm vào tháng 10 (Đơn vị : m) Giờ HVàm Thuật - S.Sài Gòn HChợ Đệm - S.Chợ Đệm Ngày 1 Ngày 2 Ngày 3 Ngày 1 Ngày 2 Ngày 3 1 -1.38 -1.27 -1.03 -1.4 -1.52 -1.38 2 -1.01 -1.46 -1.37 -0.61 -1.38 -1.54 3 -0.16 -0.95 -1.38 0.25 -0.56 -1.06 4 0.38 -0.11 -0.60 0.76 0.36 -0.24 5 0.92 0.52 0.05 1.26 0.97 0.51 6 1.43 1.05 0.61 1.45 1.32 0.97 7 1.48 1.45 1.09 1.27 1.45 1.27 8 1.19 1.55 1.43 0.72 1.22 1.38 9 0.79 1.20 1.47 0.21 0.73 1.14 10 0.42 0.82 1.16 -0.2 0.26 0.72 11 0.00 0.47 0.83 1-0.51 -0.1 0.31 12 -0.34 0.1 0.49 -0.65 -0.31 -0.01 13 -0.49 -0.16 0.15 -0.38 -0.32 -0.17 14 -0.12 -0.16 -0.01 0.26 0.08 0.01 15 0.48 0.29 0.16 0.81 0.61 0.47 16 0.89 0.71 0.61 1.14 0.93 0.87 17 1.26 1.02 0.95 1.37 1.16 1.12 18 1.48 1.30 1.19 1.26 1.29 1.20 19 1.22 1.41 1.27 0.78 1.14 1.01 20 0.79 1.14 1.04 0.26 0.73 0.69 21 0.40 0.76 0.71 -0.19 0.25 0.25 22 -0.03 0.33 0.33 -0.56 -0.22 -0.14 23 -0.47 -0.15 -0.09 -0.91 -0.67 -0.53 24 -0.9 -0.62 0.52 -1.26 -1.06 -0.90 Bai 17 3 Do không có tài liệu đo đạc các trận ma sinh ra dòng chảy để hiệu chỉnh các thông số của mô hình, trong tính toán dựa vào quy hoạch và hệ số dòng chảy trình bày trong bảng 3. Bảng 3. Hệ số dòng chảy của các khu vực. Khu vực Ci Ci đề nghị Khu thơng mại 0.7 ữ 0.9 0.80 Khu dân c - Biệt thự 0.4 ữ 0.7 0.60 - Nhà phố 0.7 ữ 0.9 0.80 - Ngoại ô 0.3 ữ 0.5 0.40 Khu công nghiệp 0.7 ữ 0.9 0.80 Khu công viên cây xanh 0.2 ữ 0.3 0.25 Khu nghĩa trang 0.2 ữ 0.3 0.20 Khu nhà ga, sân bay, bến cảng 0.8 ữ 0.9 0.90 Khu cơ quan 0.4 ữ 0.6 0.50 Khu công nghiệp 0.1 ữ 0.2 0.15 Trên cơ sở quy hoạch và các hệ số dòng chảy đề nghị ở trên. Kết quả tính toán dòng chảy của các tiểu lu vực có môduyn tiêu lớn nhất đạt 70 ữ 100l/s-ha. Kết quả này phù hợp với các kết quả tính toán cho lu vực Nhiêu Lộc Thị Nghè, Tân Hóa Lò Gốm. Từ ma sinh ra dòng chảy sẽ là các điều kiện biên nhập vào kênh, rạch và đờng ống phục vụ cho cho mô hình tính toán thủy lực cho toàn hệ thống. 3. So sánh kết quả với VRSAP Với phơng án tính toán có ảnh hởng thủy triều và trong khu vực có ma theo tần suất thiết kế, đỉnh ma trùng với đỉnh triều đã cho ra kết quả giá trị đặc trng tại các nút. Dựa vào kết quả SWMM tính toán đợc đem so sánh kết quả tính toán mực nớc lớn nhất một số vị trí dọc theo kênh Tham Lơng Bến Cát rạch Nớc Lên theo mô hình VRSAP (lấy từ số liệu dự án nghiên cứu khả thi của sở KHCN t.p HCM) ở trong bảng 4. Hình 4. là kết quả tính toán quá trình mực nớc tại một số nút trong khu vực với phơng án trên Bai 17 4 Bảng 4. Kết quả tính toán Hmax,min tại một số nút bằng SWMM và VRSAP (Đơn vị : m) Mô hình Nút 676 695 654 642 40 48 Vàm thuật Trờng đài Tham Lơng Bình Thuận Bà Hom R. Nớc lên K.cách 0 1766 2867.6 5025 4088 2557 C.dồn 0 8045.2 13413 21462 25550 32055 max 1.57 1.81 1.947 1.90 1.78 1.7 min -1.45 -1.02 -0.94 -0.89 -0.90 -1.47 VRSAP Max 1.55 1.78 2.01 1.91 1.75 1.57 Dựa trên kết quả trên của hai mô hình , nhận thấy sự chênh lệch nhau giữa các kết quả là không đáng kể và mô hình SWMM có xu thế thiên lớn hơn do mô tả đợc nhiều hình thức đặc trng công trình đô thị. Để có thể đánh giá hơn về ảnh hởng của ma tới khu vực nghiên cứu, nhóm tác giả đã đa thêm một bài toán chỉ kể tới ảnh hởng thủy triều, nhận thấy khi trong lu vực có ma, mực nớc trên kênh đợc dâng lên khá cao. So sánh với không có ma tại vị trí rạch Cầu Bng mực nớc dâng cao nhất đạt 1.94m tăng 0.45m. Đoạn từ rạch Bến Cát đến cầu Trờng Đai mực nớc H max từ 1.74 ữ 1.81m tăng 0.19 ữ 0.22m. Đoạn từ cầu Trờng Đai đến cầu Tham Lơng H max từ 1.81 ữ 1.93 tăng 0.22 ữ 0.43m. Đoạn từ cầu Tham Lơng đến cầu Bình Thuận H max 1.93 ữ 1.90m tăng 0.43 ữ 0.42m. Đoạn từ cầu Bình Thuận đến cầu Bà Hom mực n- ớc H max đạt 1.90 ữ 1.78m tăng 0.42 ữ 0.31m. Nh vậy trong điều kiện có ma lu vực tổ hợp với triều cờng ngoài sông, sau khi lợng ma đã điều tiết trong các đờng ống và kênh hở, làm cho mực nớc dọc kênh Tham Lơng Bến Cát Rạch Nớc Lên tăng lên đáng kể, tăng từ 0.20 ữ 0.45m. Khu vực nớc tăng cao nhất từ cầu Tham Lơng đến cầu Bình Thuận mực nớc đạt trên 1.90m tăng 0.45m so với không có ma. Kết quả so sánh giữa hai bài toán trong bảng 5. Bảng 5. Kết quả tính toán Hmax,min tại một số nút bằng SWMM (Đơn vị : m) Phơng án Nút 676 695 654 642 40 48 Vàm thuật Trờng đài Tham Lơng Bình Thuận Bà Hom R. Nớc lên K.cách 0 1766 2867.6 5025 4088 2557 C.dồn 0 8045.2 13413 21462 25550 32055 max 1.57 1.81 1.947 1.90 1.78 1.7 min -1.45 -1.02 -0.94 -0.89 -0.90 -1.47 max 1.57 1.59 1.49 1.43 1.35 1.7 min -1.41 -1.05 -0.94 -0.89 -0.90 -1.47 Tóm lại mô hình SWMM là một mô hình tính toán ma dòng chảy, thủy lực hệ thống mạnh. SWMM áp dụng hiệu quả khi tính toán cho hệ thống thủy lực đô thị và ven đô chịu ảnh hởng của triều. Phần mềm SWMM dùng đợc cho nhiều loại bài toán nh : phân tích hiện trạng, thiết kế, quy hoạch hệ thống đờng ống, kênh rạch và quy hoạch hệ thống tới. Trong khuôn khổ bài báo này nhóm tác giả cha có điều kiện đề cập thêm phần áp dụng modul ô nhiễm lan truyền của SWMM Bai 17 5 TàI liệu tham khảo [1] Sở Khoa học và Công nghệ môi trờng thành phố Hồ Chí Minh, Báo cáo Dự án nghiên cứu khả thi Tiêu thoát ven đô Tham Lơng Bến Cát Rạch Nớc Lên khu vực T.p Hồ Chí Minh, 2003. [2] Th.S Lê Trung Thành, Ths. Trần Hữu Hoàng, ứng dụng mô hình thủy lực SWMM vào tính toán thủy lực và ô nhiễm trong hệ thống tiêu thoát ven đô Tham Lơng Bến Cát Rạch Nớc Lên khu vực T.p Hồ Chí Minh - Đề tài NCKH cấp cơ sở, 2005. [3] Website: http://www.epa.gov/ednnrmrl/ swmm /, SWMM-User guide, 2006 [4] Website: http://www.epa.gov/ednnrmrl/ swmm /, SWMM-Manual, 2006 Summary me. le trung thanh b me. tran huu hoang Water Resources University In this paper, we discuss the model and applying the model EPA Storm Water Management Model (SWMM)which is a dynamic rainfall-runoff simulation model using for single event or long- term (continuous) simulation of runoff quantity and quality in primarily urban areas. The runoff component of SWMM operates on a collection of subcatchment areas that receive precipitation and generate runoff and pollutant loads. The routing portion of SWMM transports this runoff through a system of pipes, channels, storage/treatment devices, pumps, and regulators. SWMM tracks the quantity and quality of runoff generated within each subcatchment, and the flow rate, flow depth, and quality of water in each pipe and channel during a simulation period comprised of multiple time steps. Ngời phản biện: TS. Vũ Kiên Trung Bai 17 6 . nét về việc ứng dụng phần mềm SWMM. Một phần mềm hữu hiệu cho việc tính toán mô hình ma dòng chảy, tiêu thoát nớc cho khu vực ven đô. 1. Giới thiệu mô hình Mô hình SWMM (Storm Water Mannagement. thiện. Bản mới nhất là SWMM 5.0.07 - năm 2006 (Hình1 ). Mô hình SWMM dùng để tính toán thủy văn, thủy lực dòng chảy cho hệ thống sông ngòi, kênh, rạch và đờng ống (trong mô hình thủy lực đã đa. 1.57 Dựa trên kết quả trên của hai mô hình , nhận thấy sự chênh lệch nhau giữa các kết quả là không đáng kể và mô hình SWMM có xu thế thiên lớn hơn do mô tả đợc nhiều hình thức đặc trng công trình