Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian mưa thiết kế đến lưu lượng thiết kế của hệ thống thoát nước đô thị

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Hiện nay, việc tính toán thiết kế hệ thống thoát nước mưa đô thị được dựa theo tiêu chuẩn thiết kế : TCVN 7957 – 2008, gồm 2 bước : Bước thứ nhất : Tính lưu l

Lời cảm ơn

Để hoàn thành chương trình đào tạo cao học chuyên ngành Cấp Thoát

Nước – trường Đại học Thủy Lợi khóa học 20 (2012 - 2014), cần hoàn thiện

luận văn tốt nghiệp cuối khóa

Trong quá trình học tập cũng như làm luận văn, tác giả đã nhận được sự

quan tâm, giúp đỡ của của Ban giám hiệu nhà trường, Phòng đào tạo đại học

và sau đại học, Khoa Kỹ Thuật Quản Lý Tài Nguyên Nước và toàn thể các

thầy, cô giáo

Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn

Tuấn Anh – Người thầy trực tiếp hướng dẫn khoa học, đã hết lòng giúp đỡ,

tận tình giảng giải cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Công ty Thoát Nước Hà Nội đã

tạo điều kiện cho tác giả đi thực tế và thu thập tài liệu về hệ thống thoát nước

Cuối cùng, tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn tới các bạn trong lớp

20CTN, các anh, chị khóa trước đã động viên, đóng góp ý kiến và hỗ trợ trong

suốt quá trình học tập và làm luận văn

Xin chân thành cảm ơn!

Ngày tháng năm Học viên

Nguyễn Anh Hùng

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan rằng, luận văn “ Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian mưa thiết kế đến lưu lượng thiết kế của hệ thống thoát nước đô thị” là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi Các số liệu là trung thực, kết quả nghiên cứu của luận văn này chưa từng được sử dụng trong bất cứ một luận văn nào khác mà đã bảo vệ trước

Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được cảm ơn và các thông tin, tài liệu tham khảo đều được ghi rõ nguồn gốc trích dẫn

M ỤC LỤC

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 8

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 KHÁI NIỆM VỀ MƯA THIẾT KẾ 3

1.1.1 Mưa 3

1.1.2 Mưa thiết kế 3

1.2 TỔNG QUAN MƯA THIẾT KẾ CHO THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ TRÊN THẾ GIỚI 6

1.2.1 Mô hình mưa thiết kế của Huff (1967) 7

1.2.2 Phương pháp khối xen kẽ 8

1.2.3 Mô hình mưa thiết kế của Keifer và Chu (1957) 9

1.2.4 Phương pháp mô hình mưa hình tam giác 11

1.3 TỔNG QUAN MƯA THIẾT KẾ CHO THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ Ở VIỆT NAM 12

1.3.1 Các nghiên cứu của Việt Nam về công thức xác định cường độ mưa 12

1.3.2 Phương pháp xác định mô hình mưa thiết kế dựa trên trận mưa điển hình 14

CHƯƠNG II: TÌNH HÌNH CHUNG CỦA KHU VỰC NGHIÊN CỨU 17

2.1 ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN 17

2.1.1 Vị trí địa lý 17

2.1.2 Địa lý, địa hình và địa mạo 18

2.1.3 Khí tượng 18

2.2 ĐIỀU KIỆN KINH TẾ - XÃ HỘI 26

2.2.1 Dân cư 26

2.2.2 Tình hình sử dụng đất 27

2.3 HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC, NGẬP ÚNG TRÊN KHU VỰC NGHIÊN CỨU 29

2.3.1 Hiện trạng hệ thống thoát nước khu vực 29

2.3.2 Tính hình ngập úng trong vùng 29

2.3.3 Nguyên nhân gây ngập úng 30

2.4 ĐỊNH HƯỚNG QUY HOẠCH KHU VỰC TRONG NHỮNG NĂM TỚI 34 2.4.1 Hướng phát triển chung không gian của đô thị 34

2.4.2 Định hướng phát triển giao thông 35

2.4.3 Định hướng quy hoạch san nền 36

2.4 4 Định hướng quy hoạch thoát nước mưa 37

CHƯƠNG III: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN MƯA THIẾT KẾ ĐẾN LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CỦA HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC QUẬN THANH XUÂN – TP HÀ NỘI 41

3.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MƯA THIẾT KẾ VỚI CÁC THỜI GIAN MƯA KHÁC NHAU 42

3.1.1 Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa bằng 3 giờ, chu kỳ lặp lại T=10 năm 43

3.1.2 Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa bằng 6 giờ, chu kỳ lặp lại T=10 năm 44

3.1.3 Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa bằng 12 giờ, chu kỳ lặp lại T=10 năm 46

3.1.4 Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa bằng 24 giờ, chu kỳ lặp lại T=10 năm 50

3.2 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SWMM ĐỂ MÔ PHỎNG MƯA – DÒNG CHẢY

VỚI CÁC MÔ HÌNH MƯA THIẾT KẾ TRÊN 55

3.2.1 Giới thiệu mô hình SWMM 55

3.2.1.1 Các khả năng của mô hình 55

3.2.1.2 Các ứng dụng của mô hình 56

3.2.2 Ứng dụng mô hình SWMM mô phỏng mưa thiết kế – dòng chảy thiết kế cho lưu vực quận Thanh Xuân với các mô hình mưa thiết kế kể trên 56

3.2.2.1 Dữ liệu đầu vào 56

3.2.2.2 Xây dựng mô hình SWMM 57

3.2.2.3 Kết quả mô phỏng các trận mưa thiết kế tại các vị trí tính toán 59

3.3 XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CỦA CỐNG DỰA TRÊN MÔ PHỎNG CÁC TRẬN MƯA THỰC ĐO TRONG QUÁ KHỨ 63

3.3.1 Mô phỏng các trận mưa trong quá khứ 63

3.3.2 Tính tần suất lưu lượng từ đỉnh lũ mô phỏng các trận mưa trong quá khứ 68

3.4 SO SÁNH KẾT QUẢ LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ GIỮA MÔ PHỎNG TRẬN MƯA THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CÁC TRẬN MƯA THỰC ĐO 71

3.5 ĐỀ XUẤT THỜI GIAN MƯA THIẾT KẾ HỢP LÝ 74

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75

DANH M ỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các hệ số trong phương trình (1.1) cho thời kỳ xuất hiện lại 10 năm tại

một số địa phương ở Hoa Kỳ 6

Bảng 1.2 Giá trị của các tham số của đường DDF 14

Bảng 2.1: Nhiệt độ trung bình tháng tại Hà Nội (0C) 18

Bảng 2.2: Độ ẩm tương đối trung bình tháng tại Hà Nội (%) 19

Bảng 2.3: Thống kê lượng mưa các thời đoạn lớn nhất tại trạm khí tượng Láng 19

Bảng 2.4: Lượng mưa thiết kế 1, 3, 5, 7 ngày max (đơn vị: mm) 20

Bảng 2.5: Phân phối trận mưa 3 ngày max ứng với tần suất P = 10% (đơn vị: mm) 20

Bảng 2.6: Lượng mưa 72 giờ tại trạm Láng (mm) 20

Bảng 2.7: Lượng mưa 3 ngày của trận mưa đặc biệt lớn năm 2008 (mm) 22

Bảng 2.8: Lượng bốc hơi trung bình tháng tại Hà Nội (mm) 22

Bảng 2.9: Các mực nước sông Hồng tại trạm Hà Nội ứng với các tần suất tính toán (liệt số liệu 1970-2008) 24

Bảng 2.10: Mực nước thấp nhất sông Hồng tại Hà Nội (cm) 24

Bảng 2.11: Các mực nước Sông Hồng tại Yên Sở ứng với các tần suất tính toán 26

Bảng 2.12: Tình hình dân cư vùng nghiên cứu 26

Bảng 3.1: Giá trị các tham số của đường DDF 42

Bảng 3.2: Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa 3giờ, tần suất lặp T=10 năm 43

Bảng 3.3: Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa 6giờ, tần suất lặp T=10 năm 44

Bảng 3.4: Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa 12giờ, tần suất lặp T=10 năm 46

Bảng 3.5: Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa 24giờ, tần suất lặp T=10 năm 50

Bảng 3.6: Thống kê diện tích các cửa xả đảm nhận tiêu thoát 58

Bảng 3.7: Kết quả lưu lượng lớn nhất thiết kế tương ứng các mô hình mưa thiết kế

60

Bảng 3.8: Danh sách các trận mưa lớn nhất toàn liệt 63

Bảng 3.9: Lưu lượng đỉnh được mô phỏng bởi các trận mưa lớn nhất toàn liệt 65

Bảng 3.10: Kết quả lưu lượng lớn nhất năm thiết kế từ các trận mưa toàn liệt 68

Bảng 3.11: Lưu lượng lớn nhất thiết kế giữa mô phỏng các trận mưa thiết kế và mô phỏng trận các trận mưa toàn liệt, chu kỳ lặp T=10 năm 72

Bảng 3.12: Chênh lệch giữa QTL(P) và QTK(P) 72

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Đồ thị quan hệ độ sâu mưa và diện tích mưa để tính các giá trị trung bình

của mưa diện (Tổ chức khí tượng thế giới, 1983) 4

Hình 1.2 Các đường cong IDF của mưa lớn nhất tại Chicago 5

Hình 1.3 Phân bố xác suất của các trận mưa nhóm thứ nhất 7

Hình 1.4 Biểu đồ xác suất 10% các trận mưa nhóm thứ nhất 8

Hình 1.5 Biểu đồ xác suất 50% các trận mưa nhóm thứ nhất 8

Hình 1.6 Biểu đồ quá trình mưa thiết kế xây dựng bằng phương pháp khối xen kẽ 9

Hình 1.7 Biểu thị biểu đồ quá trình mưa bằng các đường cong 10

Hình 1.8 Biểu đồ quá trình mưa thiết kế hình tam giác 11

Hình 2.1: Vị trí hệ thống thoát nước Quận Thanh Xuân – Lưu vực sông Tô Lịch 17

Hình 3.1: Mô hình mưa thiết kế với gian mưa 3 giờ 44

Hình 3.2: Mô hình mưa thiết kế với gian mưa 6 giờ 46

Hình 3.3: Mô hình mưa thiết kế với gian mưa 12 giờ 49

Hình 3.4: Mô hình mưa thiết kế với gian mưa 24 giờ 54

Hình 3 5: Khai báo các thông số SWMM 58

Hình 3.6: Các thông số cơ bản SWMM 58

Hình 3.7: Sơ đồ mạng thoát nước - phần mềm SWMM 59

Hình 3.8 Đường biểu diễn Qmax thiết kế của các mô hình mưa thiết kế

tại vị trí các cửa xả 60

Hình 3.9 : Đường lưu lượng tại các vị trí cửa xả được mô phỏng bởi trận mưa 3h 61 Hình 3.10 : Đường lưu lượng tại các vị trí cửa xả - được mô phỏng bởi trận mưa 6h 61

Hình 3.11 : Đường lưu lượng tại các vị trí cửa xả - được mô phỏng bởi trận mưa 12h 62

Hình 3.12 : Đường lưu lượng tại các vị trí cửa xả - được mô phỏng bởi trận mưa

24h 62

Hình 3.13 : Một số trận mưa toàn liệt tại trạm khí tượng Láng 64

Hình 3.14 : Quá trình lưu lượng tại các vị trí cửa xả - được mô phỏng bởi trận thực đo 12/9/1985 67

Hình 3.15 : Quá trình lưu lượng tại các vị trí cửa xả - được mô phỏng bởi trận thực đo 23/10/1988 67

Hình 3.16 Đường tần suất Qmax tại Cửa Xả 1 68

Hình 3.17 Đường tần suất Qmax tại Cửa Xả 2 69

Hình 3.18 Đường tần suất Qmax tại Cửa Xả 3 69

M Ở ĐẦU

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Hiện nay, việc tính toán thiết kế hệ thống thoát nước mưa đô thị được dựa theo tiêu chuẩn thiết kế : TCVN 7957 – 2008, gồm 2 bước :

Bước thứ nhất : Tính lưu lượng dòng chảy lớn nhất thiết kế (Q) theo công thức cường độ giới hạn :

Q = q.C.F Trong đó : q : cường độ mưa tính toán (l /s.ha)

đó là lý do đề tài ‘‘ Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian mưa thiết kế đến lưu

lượng thiết kế của hệ thống thoát nước đô thị’’ được đề xuất nghiên cứu

II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Đánh giá ảnh hưởng của thời gian mưa thiết kế đến lưu lượng thiết kế của hệ thống thoát nước đô thị Từ đó kiến nghị kỹ sư lựa chọn thời gian mưa thiết kế hợp lý khi tính toán thiết kế hệ thống thoát nước đô thị

III ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu điển hình cho hệ thống thoát nước mưa Quận Thanh Xuân,

TP Hà Nội (phạm vi lưu vực sông Tô Lịch) Sử dụng tài liệu trạm khí tượng Láng

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Phương pháp thu thập, thống kê và phân tích số liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 KHÁI NIỆM VỀ MƯA THIẾT KẾ

1.1.1 Mưa

Mưa là quá trình quan trọng đóng vai trò chính trong sự hình thành dòng chảy trên lưu vực Lượng mưa và quá trình mưa (P~t) quyết định lưu lượng và quá trình dòng chảy trong cống

Một trận mưa rào trên lưu vực được đặc trưng bởi:

- Thời gian mưa (phút, giờ, ngày)

- Chu kỳ lặp lại của trận mưa thiết kế (tần suất thiết kế)

- Thời gian mưa (phút, giờ, ngày)

- Phân bố mưa theo thời gian P(t)

1.1.2.1 Độ sâu mưa thiết kế

Là độ sâu lớp nước mưa trong một khoảng thời gian mưa nào đó Đơn vị

đo độ sâu mưa thường tính bằng mm Độ sâu mưa thiết kế có thể là độ sâu mưa điểm hoặc độ sâu mưa diện

Mưa điểm là mưa xuất xuất hiện tại một địa điểm đơn độc trong không gian, còn mưa mưa diện là mưa xuất hiện trên một vùng nào đó

Đối với mỗi thời gian mưa, ta tiến hành phân tích tần suất để tính các độ sâu mưa thiết kế ứng với các thời kỳ xuất hiện lại khác nhau, sau đó các độ sâu mưa thiết kế được chuyển đổi thành cường độ mưa bằng cách đem chia chúng cho thời gian mưa tương ứng

Hình 1.1 Đồ thị quan hệ độ sâu mưa và diện tích mưa để tính các giá trị trung

bình của mưa diện (Tổ chức khí tượng thế giới, 1983)

Đồ thị quan hệ độ sâu mưa – diện tích đối với các thời gian mưa khác nhau được thiết lập từ kết quả phân tích về độ sâu mưa- diện tích mưa- thời

gian mưa Các bản đồ này được xây dựng từ bảng ghi về lượng mưa lớn nhất thực đo trên một vùng có trạm đo mưa dầy, người ta xác định diện tích nằm bên trong mỗi đường đẳng lượng mưa trên các bản đồ này và lập biểu đồ độ sâu mưa trung bình quan hệ với diện tích đối với từng thời gian mưa

1.1.2.2 Quan hệ giữa cường độ mưa- thời gian mưa- tần suất

Cường độ mưa là lượng mưa rơi xuống mặt đất trong một đơn vị thời gian

Quan hệ giữa cường độ mưa - thời gian mưa - tần suất thông thường được biểu diễn dưới dạng đồ thị trong đó thời gian mưa được đặt trên trục hoành, cường độ mưa đặt trên trục tung và các đường cong tương ứng với thời

kỳ xuất hiện lại

+ Cường độ mưa:

T

P

i = (mm/h hoặc in/h) (1.1) + Độ sâu mưa: P (mm hoặc in)

+ Thời gian mưa: T (h)

+ Tần suất được biểu thị theo thời kỳ xuất hiện lại, đó là khoảng thời gian trung bình giữa các biến cố mưa có độ lớn bằng hoặc lớn hơn trị số thiết

kế

Trong nhiều trường hợp người ta đã xác định sẵn những đường cong mẫu của quan hệ giữa cường độ mưa-thời gian mưa-tần suất (gọi là quan hệ IDF) cho các địa điểm nghiên cứu

23456810

2

5102550100

C¸c ®­êng cong IDF cña m­a lín nhÊt t¹i Chicago

Hình 1 2 Các đường cong IDF của mưa lớn nhất tại Chicago

Khi có đủ các số liệu tại địa phương ta có thể xây dựng các đường cong IDF bằng phân tích tần suất Một phân bố xác suất thường hay dùng trong phân tích tần suất mưa là phân bố giá trị cực hạn loại I hay phân bố Gumbel Các đường cong (IDF) quan hệ giữa cường độ mưa-thời gian mưa-tần suất còn được biểu thị bằng phương trình, ví dụ phương trình do Wenzel (1982) đề nghị :

f T

c i

e

d +

Trong đó:

- i: cường độ mưa thiết kế (in/h)

- Td: thời gian mưa (phút)

- c,e,f: là các hệ số thay đổi theo địa điểm và theo thời kỳ xuất hiện lại

Bảng 1.1 Các hệ số trong phương trình (1.1) cho thời kỳ xuất hiện lại 10 năm tại

một số địa phương ở Hoa Kỳ

1.2.1 Mô hình mưa thiết kế của Huff (1967)

Huff thiết lập các quan hệ phân bố theo thời gian của các trận mưa rào lớn trên các diện tích rộng tới 400 mi2 tại Illinois Mô hình phân bố theo thời gian được xây dựng cho 4 nhóm xác suất, từ nhóm mưa ác liệt nhất (nhóm thứ nhất) đến nhóm mưa ít ác liệt nhất (nhóm thứ tư) Hình 1.3 trình bày phân bố xác suất của các trận mưa rào thuộc nhóm đầu tiên (nhóm mưa ác liệt nhất),

Đó là những đường cong trơn chu, chúng phản ảnh phân bố theo thời gian của lượng mưa trung bình và không thể hiện được các đặc tính thay đổi gấp của các trận mưa rào thực tế

Sè phÇn tr¨m tÝch lòy cña thêi gian m­a

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Hình 1.3 Phân bố xác suất của các trận mưa nhóm thứ nhất

lập các biểu đồ chọn lọc cho các trận mưa nhóm thứ nhất ứng với các xác suất lũy tích 10%, 50% và 90% (Hình 1.4 đến hình 1.6), mỗi biểu đồ biểu thị số

phần trăm của tổng lượng mưa trong mỗi khoảng số gia 10% của thời gian mưa

6050

10

X¸c suÊt 50%

Sè phÇn tr¨m tÝch lòy cña thêi gian m­a

Hình 1.5 Biểu đồ xác suất 50% các trận mưa nhóm thứ nhất

1.2.2 Phương pháp khối xen kẽ

Phương pháp này được đề xuất bởi Chow (1988) Với phương pháp này

mô hình mưa thiết kế từ một đường cong quan hệ cường độ- thời gian mưa-

tần suất (IDF) hoặc quan hệ lượng mưa- thời gian mưa- tần suất (DDF) Mô hình mưa này được đặc trưng bởi độ sâu mưa xuất hiện trong n khoảng thời gian t ∆ kế tiếp nhau trên tổng thời gian mưa Td = n ∆ t Sau khi lựa chọn thời

2 t ∆ , 3 t ∆ từ một đường IDF tương ứng với thời kỳ xuất hiện lại đã chọn và tính độ sâu mưa mưa lũy tích bằng cách nhân cường độ mưa với thời gian mưa Lấy hiệu số giữa hai giá trị liên tiếp của độ sâu mưa lũy tích, ta sẽ tính

được sắp xếp với cường độ mưa lớn nhất được xếp ở giữa hoặc ở thời gian xuất hiện đỉnh của thời gian mưa, các khối còn lại được sắp xếp theo thứ tự giảm dần và được chia đều ở bên phải và bên trái của khối trung tâm

10

Hình 1.6 Biểu đồ quá trình mưa thiết kế xây dựng bằng phương pháp khối xen kẽ

1.2.3 Mô hình mưa thiết kế của Keifer và Chu (1957)

Keifer và Chu (1957) đã đề xuất một một mô hình mưa giả tưởng để thiết kế hệ thống thoát nước ở Chicago Nguyên tắc tính toán tương tự như phương pháp khối xen kẽ, cơ sở của mô hình này là từ một phương trình đã

biết của đường cong quan hệ cường độ mưa-thời gian mưa-tần suất (gọi là quan hệ IDF), ta có thể xây dựng được các phương trình về sự thay đổi của cường độ mưa theo thời gian trong đường quá trình mưa thiết kế Độ sâu mưa tương ứng với một thời gian mưa Td chung quanh đỉnh mưa thì bằng với giá trị xác định bằng đường cong hoặc phương trình của đường cong IDF (cường

độ mưa ở đây được coi là biến đổi một cách liên tục trong quá trình mưa)

Hình 1.7 Biểu thị biểu đồ quá trình mưa bằng các đường cong

Đường quá trình mưa gồm hai nhánh đường cong với ia = f ( ta) và

)

t

(

f

mưa R trong thời gian mưa Td được tính bằng diện tích nằm bên dưới các nhánh đường cong:

=rTd0

Td)1(

0

bba

a) dt f ( t ) dt t

( f

Với

r 1

t r

t T T

Đối với thời gian mưa Td bất kỳ, f ( ta) = f ( tb) và lấy đạo hàm theo Td’

di Td i

c i

ed

2ed

ed) f T (

f T ) e 1 ( c i

+

+

−

1.2.4 Phương pháp mô hình mưa hình tam giác

Phương pháp này được đề xuất bởi Yen và Chow (1980) Với mô hình mưa hình tam giác có cạnh đáy là thời gian mưa Td, chiều cao h là cường độ mưa Khi biết độ sâu mưa và thời gian mưa ta xác định được cường độ mưa là chiều cao h:

dT

P 2

Hình 1.8 Biểu đồ quá trình mưa thiết kế hình tam giác

Ta định nghĩa một hệ số trước đỉnh r, đó là tỉ số của thời gian xuất hiện đỉnh mưa (ta) so với tổng thời gian mưa (Td)

( ) da

dbd

độ mưa lớn nhất sẽ sớm hơn và ngược lại nếu r>0,5 thì sẽ chậm hơn

Giá trị thích hợp của r được xác định bằng cách tính toán tỷ số của thời gian xuất hiện đỉnh so với tổng thời gian mưa của nhiều trận mưa thực đo với thời gian mưa khác nhau và lấy giá trị trung bình theo trọng số thời gian mưa của các tỷ số đó

1.3 TỔNG QUAN MƯA THIẾT KẾ CHO THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ Ở VIỆT NAM

1.3.1 Các nghiên cứu của Việt Nam về công thức xác định cường độ mưa

a Công thức tính cường độ mưa của Viện thiết kế Bộ Giao Thông

( )

N b

b t

N B A b

)

+

= +

+

= +

t: thời gian mưa

K: hệ số khí hậu (hệ số hiệu chỉnh tùy thuộc vào từng vùng khí hậu)

b Theo đề nghị của TS Trần Hữu Uyển, cường độ mưa ở Việt Nam có thể tính theo công thức :

n n

t

P C q

q

) 15 (

) lg 1 (

35 20+

Bộ tác giả PGS.TS Nguyễn Tuấn Anh – trường Đại học Thủy Lợi đã nghiên cứu và xây dựng quan hệ lượng mưa- thời gian mưa- tần suất (đường quan hệ DDF) như sau:

) f LnT e ( 1 1

đối với d ≤ α Tβ

)fLnTe(22

d( T ) ( b LnT c ) d 2 2

đối với d > α Tβ

Công thức (1.2) và công thức (1.3) biểu thị mối quan hệ lượng mưa -

thời gian mưa - chu kỳ lặp lại Nếu thay T = 1/P sẽ có mối quan hệ lượng

mưa – thời gian mưa – tần suất như sau:

)f)P/1(Lne(11

d( P ) ( b Ln ( 1 / P ) c ) d 1 1

đối với d ≤ α Tβ

)f)P/1(Lne(22

d( P ) ( b Ln ( 1 / P ) c ) d 2 2

đối với d > α Tβ

Trong đó:

- b1, c1, b2, c2, f1,f2, e1, e2, a, b là các tham số được cho trong bảng 1.2

Bảng 1.2 Giá trị của các tham số của đường DDF

Chọn mô hình mưa điển hình theo các yêu cầu sau:

+ Trận mưa lớn đã xảy ra gây úng lớn trong thực tế đại biểu cho một nguyên nhân gây mưa úng nhất định trong khu vực

+ Có thời gian mưa hiệu quả bằng hoặc xấp xỉ thời gian mưa tính toán + Có lượng mưa toàn trận mưa bằng hoặc xấp xỉ lượng mưa trong thời khoảng khống chế ứng với tần suất thiết kế

Thu phóng mô hình mưa đại biểu thành mô hình mưa thiết kế theo 2 phương pháp như sau:

* Phương pháp thu phóng cùng tỷ số:

đbmax

PmaxX

X

Trong đó: k: hệ số thu phóng

Xmax P: Lượng mưa thiết kế với tần suất P

Xmax đb: Lượng mưa của trận mưa đại biểu

* Phương pháp thu phóng cùng tần suất (theo 3 tỷ số):

dbmax1

Pmax11X

X

- Hai ngày còn lại trong ba ngày max thu phóng theo tỷ số:

dbmax1dbmax3

Pmax1Pmax32

X X

X X

Pmax3Pmax53

X X

X X

Tóm lại: Trên thế giới, các yếu tố thủy văn nói chung, mưa thiết kế và lưu lượng thiết kế nói riêng, được nghiên cứu từ lâu cụ thể như đã có nhiều công thức tính và mô hình toán được xây dựng để phục vụ tính toán các yếu

tố này Ở Việt Nam, ngoài một số phương pháp của tác giả nước ngoài được

áp dụng, đã có nhiều tác giả trong nước nghiên cứu, xây dựng công thức, mô hình toán để phục vụ tính toán các yếu tố thủy văn phù hợp với điều kiện địa

lý, địa chất và khí hậu nước ta

CHƯƠNG II: TÌNH HÌNH CHUNG CỦA KHU VỰC NGHIÊN CỨU

2.1 ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN

2.1.1 Vị trí địa lý

Hệ thống thoát nước quận Thanh Xuân, Hà Nội (lưu vực sông Tô Lịch)

có vị trí như sau (chi tiết xem tại PL Hình 2.1):

- Phía Tây Bắc giới hạn là đường Trần Duy Hưng

Hình 2.1: Vị trí hệ thống thoát nước Quận Thanh Xuân – Lưu vực sông Tô Lịch

2.1.2 Địa lý, địa hình và địa mạo

Hệ thống thoát nước một phần của quận Thanh Xuân thuộc hệ thống thoát nước lưu vực sông Tô Lịch, nằm ở vùng đồng bằng sông Hồng, kéo dài

từ vĩ độ 21o08'04” đến 20o07'57” vĩ độ Bắc, từ 105o39'33” đến 105o

49'32” kinh độ Đông Toàn bộ lưu vực có diện tích tự nhiên 18,652 ha Địa hình dốc dần từ Bắc xuống Nam, từ Tây sang Đông Cao trình mặt đất thay đổi từ cao trình 8,2 ÷ 4,5, phổ biến ở cao độ 5,0 ÷ 6,0 m

2.1.3 Khí tượng

Hệ thống thoát nước nằm giữa vùng đồng bằng Bắc bộ nên nó mang các đặc điểm điển hình của khí hậu vùng đồng bằng Đó là kiểu khí hậu nhiệt đới gió mùa có mùa đông lạnh, cuối mùa ẩm ướt với hiện tượng mưa phùn, mùa hạ nóng và nhiều mưa

a Nhiệt độ

trung bình trên dưới 29o

là thời kỳ ẩm ướt nhất, độ ẩm trung bình tháng đạt 88 ÷ 90% hoặc cao hơn Các tháng cuối mùa thu và đầu mùa đông là thời kỳ khô hanh nhất Độ ẩm trung bình tháng có thể xuống dưới 80% Độ ẩm cao nhất có ngày đạt tới 98%

Bảng 2.3: Thống kê lượng mưa các thời đoạn lớn nhất tại trạm khí tượng Láng

Bảng 2.6: Lượng mưa 72 giờ tại trạm Láng (mm)

Ngày

0-1 9,862 0,217 12,358 12,62 0,18 10,11

Trận mưa Điển hình 1994 Tần suất 10% Ngày

1-2 15,149 0,217 0,567 19,39 0,18 0,46 2-3 17,386 0,868 3,175 22,25 0,71 2,60

Trận mưa Điển hình 1994 Tần suất 10%

Ngày

Ghi chú: Trận mưa thiết kế chứa lượng mưa 24 h max TS10%

Bảng 2.7: Lượng mưa 3 ngày của trận mưa đặc biệt lớn năm 2008 (mm)

Bảng 2.8: Lượng bốc hơi trung bình tháng tại Hà Nội (mm)

năm

Hà Nội 78,7 62,4 57,4 66,8 101,9 99,4 99,9 84,8 81,5 96,6 89,4 83,2 1.002

e Gió, bão

Hướng gió thịnh hành trong mùa hè là gió Nam và Đông Nam và mùa đông thường có gió Bắc và Đông Bắc Tốc độ gió trung bình khoảng 2÷3 m/s Tháng VII, IX là những tháng có nhiều bão nhất Các cơn bão đổ bộ vào vùng này thường gây ra mưa lớn, ảnh hưởng lớn cho sản xuất và đời sống của nhân dân Tốc độ gió lớn nhất trong cơn bão có thể đạt 40 m/s

f Mây

Lượng mây trung bình năm chiếm 75% bầu trời Tháng III u ám nhất có lượng mây cực đại, chiếm trên 90% bầu trời còn tháng X trời quang đãng nhất, lượng mây trung bình chỉ chiếm khoảng trên 60% bầu trời

Sông Hồng là con sông lớn, có tổng diện tích lưu vực 155.000 km² (phần lưu vực trong lãnh thổ Việt Nam là 72.800km²) Sông dài 1.126 km, trong đó đoạn qua khu vực nghiên cứu dài 90 km Sông Hồng không chỉ là nguồn cung cấp nước chính cho hệ thống mà còn là một trong những nơi nhận nước tiêu chính của vùng Khả năng chuyển nước của sông rất lớn Lưu lượng bình quân tháng trung bình nhiều năm thời đoạn 1956-1985 tại Sơn Tây đạt khoảng 3.560 m³/s và Hà Nội 2.710 m³/s

Bảng 2.9: Các mực nước sông Hồng tại trạm Hà Nội ứng với các tần suất tính toán

(liệt số liệu 1970-2008) Tần suất

Bảng 2.10: Mực nước thấp nhất sông Hồng tại Hà Nội (cm)

1961 254 2/IV 1981 239 1/III 2001 238 30/II

1962 238 25/III 1982 252 23/III 2002 257 17/II

1963 188 25/IV 1983 234 21/IV 2003 234 25/XI

1964 230 25/III 1984 246 23/III 2004 186 6/IV

1965 225 5/IV 1985 276 12/II 2005 158 8/III

1967 215 11/IV 1987 219 31/III 2007 112 23/II

1968 237 2/IV 1988 207 05/IV 2008 80 12/II

1969 205 13/IV 1989 212 23/II 2009 92 16/III

1970 221 9/IV 1990 260 13/II 2010 10 24/II

Bảng 2.11: Các mực nước Sông Hồng tại Yên Sở ứng với các tần suất tính toán

Nội suy mực nước với:

- Chiều dài sông từ Hà Nội đến Yên Sở LLB-YS = 13.300 m

- Độ dốc đường mặt nước trung bình i = 6,25×10–5

2.2 ĐIỀU KIỆN KINH TẾ - XÃ HỘI

2.2.1 Dân cư

Địa bàn quận Thanh Xuân có 11 phường, số dân được thống kê như sau:

Bảng 2.12: Tình hình dân cư vùng nghiên cứu

TT Đơn vị quận Diện tích (ha) Dân số

(người)

* Đất ngoài khu vực dân dụng: 465,095 ha (100%)

* Đất công nghiệp, kho tàng: 142 ha (30,53%)

* Công trình kiến trúc hạ tầng kỹ thuật đầu mối

- Đất ao hồ, sông, mương thoát nước: 66,67 ha (14,33%)

Trong đất khu vực dân dụng (diện tích khoảng: 448,105 ha) có khoảng 428,67 ha đất đơn vị ở (đơn vị phường) Tình hình sử dụng đất đơn vị ở hiện nay chưa hợp lý, chủ yếu là đất ở chiếm tỷ trọng lớn, các loại đất khác như đất đường, đất cây xanh, đất công cộng cho đơn vị ở (UBND, trạm y tế, công an phường, chợ, đất trường học, nhà trẻ, mẫu giáo đều nhỏ)

Thống kê qua các đơn vị ở tại các phường cho thấy:

2.3 HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC, NGẬP ÚNG TRÊN KHU VỰC NGHIÊN CỨU

2.3.1 Hiện trạng hệ thống thoát nước khu vực

So với các khu vực khác trong thành phố, địa bàn quận Thanh Xuân có cao độ nền hiện trạng tương đối cao: Cao độ cao nhất khoảng 7-7,2 m, cao độ thấp nhất khoảng 6-6,2 m Cao độ trung bình khoảng 6,5-6,7 m

Hệ thống thoát nước khu vực này thoát ra tuyến sông thoát nước chính là sông Tô Lịch Ngoài ra các đất trống, ao hồ, ruộng canh tác xung quanh các khu vực xây dựng còn nhiều, nước được thoát ra các khu vực này

Hệ thống thoát nước khu vực này (lưu vực sông Tô Lịch – Hà Nội) là hệ thống thoát nước chung, bao gồm ba trục thoát nước chính: Trục Nguyễn Trãi, trục Lê Văn Lương và trục Trần Duy Hưng thoát nước toàn bộ khu vực

về sông Tô Lịch

Hệ thống thoát nước không đồng bộ, phần lớn toàn bộ hệ thống được xây dựng đã lâu không đáp ứng được nhu cầu tiêu thoát nước, vì vậy khi mưa lớn thường xảy ra úng ngập

2.3.2 Tính hình ngập úng trong vùng

Theo kết quả thống kê, vào mùa mưa khi có mưa cường độ lớn khoảng 100mm khu vực này có 09 điểm ngập trên các tuyến phố như Vũ Trọng Phụng, Quan Nhân, Chính Kinh, Cự Lộc, Nguyễn Huy Tưởng, Nguyễn Tuân, Nguyễn Trãi, Hoàng Minh Giám, Hoàng Đạo Thúy Thời gian úng ngập thường từ 1h đến 12h Độ sâu ngập trung bình từ 0,2 – 0,5m Đặc biệt khi mưa lớn tình trạng úng ngập kéo dài gây ách tắc giao thông, mất vệ sinh môi trường ảnh hưởng đến công việc, sức khỏe, cuộc sống của mọi người dân sống và làm việc trong khu vực

Ví dụ một số điểm ngập điển hình trận mưa ngày 19/06/2012 thời gian

mưa từ 18h15 đến 20h15 lượng mưa 70 mm (đo tại trạm đo mưa Trung Tâm Hội Nghị Quốc Gia của Công ty TNHH MTV Thoát nước Hà Nội) :

đến đường Khuất Duy Tiến và đoạn từ ngã ba Nguyễn Huy Tưởng – Vũ Trọng Phụng đến số nhà 96 Nguyễn Huy Tưởng) bị úng ngập từ 0,2 -0,3m là

do hệ thống thoát nước của tuyến phố này là tuyến rãnh BxH=0,3x0,4 trên hè

có kích thước nhỏ, đã sập sệ, xuống cấp, không đủ khả năng để tiêu thoát nước với trận mưa lớn trong thời gian ngắn

Phố Quan Nhân (từ Chùa Ao Bút đến phố Chính Kinh) ngập từ 0,2 – 0,4m là do hệ thống thoát nước của tuyến phố này là tuyến rãnh BxH=0,3x0,4 trên hè, sập sệ, xuống cấp, có kích thước nhỏ, nhiều đoàn bị nhà dân lấn chiếm đổ bê tông thảm lấp không đủ khả năng để tiêu thoát nước với trận mưa lớn trong thời gian ngắn

Phố Vũ Trọng Phụng (đoạn ngã ba Vũ Trọng Phụng – Quan Nhân) Ngập

từ 0,2 – 0,5m là do cao độ mặt đất tại đây thấp hơn khu vực xung quanh (đường Nguyễn Trãi, phố Quan Nhân) từ 0,4 – 0,7m

Phố Hoàng Minh Giám (từ ngã ba Nguyễn Thị Thập – Hoàng Minh Giám đến ngã tư Hoàng Minh Giám – Trần Duy Hưng) ngập 0,1 – 0,3m do cao độ mặt đất tại đây thấp hơn khu vực xung quanh từ 0,2 – 0,4m

2.3.3 Nguyên nhân gây ngập úng

Quá trình đô thị hóa diễn ra nhanh làm tăng mật độ dân cư trong khu vực dẫn đến nhu cầu thoát nước tăng Trong khi đó phần lớn hệ thống thoát nước được xây dựng đã lâu, kích thước, tiết diện cống bé, cao độ đáy cống không đồng đều, trong khu vực không có các hồ điều hòa nên toàn bộ nước thải sinh hoạt, sản xuất và nước mưa đều thoát vào hệ thống thoát nước chung khi có mưa, vì vậy hệ thống thoát nước của khu vực không đáp ứng được nhu cầu

thoát nước dẫn đến tình trạng úng ngập cục bộ

Qua thực tế quan trắc hiện tượng úng ngập trên địa bàn cho thấy: Mặc dù

hệ thống sông Tô Lịch được thiết kế cải tạo để thoát nước với trận mưa thiết

kế 10%, hệ thống cống một số tuyến được cải tạo với trận mưa thiết kế 20% nhưng vẫn tồn tại 03 dạng úng ngập: úng ngập cục bộ, úng ngập khu vực, úng ngập vùng Mỗi một dạng úng ngập có những nguyên nhân với vai trò khác nhau, ảnh hưởng khác nhau Có thể chia là 2 nhóm nguyên nhân chủ quan và khách quan

2.3.3.1 Nguyên nhân khách quan

Hà Nội nằm ở trung tâm đồng bằng Bắc Bộ, nằm kẹp giữa sông Hồng và sông Nhuệ, có địa hình trũng thấp, độ dốc nhỏ, do đó việc thoát nước tự chảy rất khó khăn Khi mực nước sông Hồng vượt mức báo động 1 (mức nước = 9,5m) thì mực nước sông đã cao hơn bề mặt địa hình thành phố nói chung và khu vực quận Thanh Xuân nói riêng, điều đó đe dọ khả năng gây ngập lụt cho khu vực

Chế độ thủy văn của sông Tô Lịch phụ thuộc chủ yếu vào mưa trên lưu vực và nước thải trong quá trình sản xuất sinh hoạt Tổng lượng nước thải hàng sản xuất sinh hoạt hàng ngày ảnh hưởng chủ yếu đến chất lượng nước và môi trường xung quanh, hầu như không ảnh hưởng đến úng ngập của Thành phố

Các trận mưa tập trung với lưu lượng hoặc cường độ vượt quá khả năng tiêu thoát nước của hệ thống là nguyên nhân cơ bản gây úng ngập cho khu vực Các trận mưa vượt thiết kế thường gây úng ngập trên diện rộng Với trận mưa nhỏ hơn thiết kế nhưng với cường độ lớn đã có thể gây úng ngập nhiều điểm trong khu vực