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

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. Ngày tháng năm Học viên Nguyễn Anh Hùng MỤC 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 MỤC 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 MỤC 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 1 MỞ 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) C : hệ số dòng chảy F : diện tích lưu vực tính đến mặt cắt tính toán (ha) từ đó tính đường kính cống (Dc). Bước thứ hai : Sử dụng mô hình toán để tính toán mưa – dòng chảy và diễn toán thủy lực trong hệ thống thoát nước nhằm kiểm tra lại kết quả sơ bộ ở bước thứ nhất. Khi sử dụng mô hình mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy cần một trận mưa thiết kế, tuy nhiên trong tiêu chuẩn thiết kế chưa quy định rõ thời gian của trận mưa thiết kế chọn như thế nào. Có tác giả chọn thời gian mưa thiết kế bằng thời gian tập trung dòng chảy, có tác giả chọn thời gian mưa thiết kế là 3 giờ, 6 giờ, 12 giờ, 24 giờ hoặc là dài hơn nữa. Do vậy, khó khăn cho kỹ sư tính toán thiết kế, nên cần có nghiên cứu về thời gian mưa thiết kế, 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. [...]... lng ma trong mi khong s gia 10% ca thi gian ma Số phần trăm của tổng lượng mưa 60 Xác suất 10% 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Số phần trăm tích lũy của thời gian mưa Số phần trăm của tổng lượng mưa Hỡnh 1.4 Biu xỏc sut 10% cỏc trn ma nhúm th nht 40 Xác suất 50% 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Số phần trăm tích lũy của thời gian mưa Hỡnh 1.5 Biu xỏc sut 50% cỏc trn ma... tr s thit k Trong nhiu trng hp ngi ta ó xỏc nh sn nhng ng cong mu ca quan h gia cng ma-thi gian ma-tn sut (gi l quan h IDF) cho cỏc a im nghiờn cu Các đường cong IDF của mưa lớn nhất tại Chicago 10 8 Cường độ mưa (in/h) 5 4 3 2 100 50 25 10 5 1 0,8 Thời kỳ xuất hiện lại (năm) 6 2 0,6 5 6 8 10 20 40 Thời gian mưa (phút) 60 80 100 Hỡnh 1.2 Cỏc ng cong IDF ca ma ln nht ti Chicago 6 Khi cú cỏc s liu ti... phõn b theo thi gian ca lng ma trung bỡnh v khụng th hin c cỏc c tớnh thay i gp ca cỏc trn ma ro thc t 100 Số phần trăm của tổng lượng mưa 90 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 80 70 60 90% Xác suất 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Số phần trăm tích lũy của thời gian mưa Hỡnh 1.3 Phõn b xỏc sut ca cỏc trn ma nhúm th nht T biu phõn b xỏc sut ca trn ma nhúm th nht ngi ta thit lp cỏc biu... Yen v Chow (1980) Vi mụ hỡnh ma hỡnh tam giỏc cú cnh ỏy l thi gian ma Td, chiu cao h l cng ma Khi bit sõu ma v thi gian ma ta xỏc nh c cng ma l chiu cao h: h= 2P Td tb r= ta Td h Cường độ mưa i ta Thời gian t Hỡnh 1.8 Biu quỏ trỡnh ma thit k hỡnh tam giỏc Ta nh ngha mt h s trc nh r, ú l t s ca thi gian xut hin nh ma (t a ) so vi tng thi gian ma (T d ) 12 r= ta t b = Td t a = (1 r )Td Td (1.6)... cong quan h cng - thi gian ma- 9 tn sut (IDF) hoc quan h lng ma- thi gian ma- tn sut (DDF) Mụ hỡnh ma ny c c trng bi sõu ma xut hin trong n khong thi gian t k tip nhau trờn tng thi gian ma Td = n.t Sau khi la chn thi k xut hin li thit k, ta c cng ma cho mi thi gian ma t , 2 t , 3 t t mt ng IDF tng ng vi thi k xut hin li ó chn v tớnh sõu ma ma ly tớch bng cỏch nhõn cng ma vi thi gian ma Ly hiu s gia... tớnh c sõu ma thit k ng vi mi t v c gi l cỏc khi Cỏc khi c sp xp vi cng ma ln nht c xp gia hoc thi gian xut hin nh ca thi gian ma, cỏc khi cũn li c sp xp theo th t gim dn v c chia u bờn phi v bờn trỏi ca khi trung tõm 0,7 Lượng mưa (in) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Thời gian (phút) 90 100 110 120 Hỡnh 1.6 Biu quỏ trỡnh ma thit k xõy dng bng phng phỏp khi xen k 1.2.3 Mụ... cong quan h cng ma-thi gian ma-tn sut (gi l quan h IDF), ta cú th xõy dng c cỏc phng trỡnh v s thay i ca cng ma theo thi gian trong ng quỏ trỡnh ma thit k sõu ma tng ng vi mt thi gian ma Td chung quanh nh ma thỡ bng vi giỏ tr xỏc nh bng ng cong hoc phng trỡnh ca ng cong IDF (cng Cường độ mưa i ma õy c coi l bin i mt cỏch liờn tc trong quỏ trỡnh ma) Td f(tb) f(ta) ta Thời gian tb Hỡnh 1.7 Biu th... sõu ma din Ma im l ma xut xut hin ti mt a im n c trong khụng gian, cũn ma ma din l ma xut hin trờn mt vựng no ú 4 i vi mi thi gian ma, ta tin hnh phõn tớch tn sut tớnh cỏc sõu ma thit k ng vi cỏc thi k xut hin li khỏc nhau, sau ú cỏc sõu ma thit k c chuyn i thnh cng ma bng cỏch em chia chỳng cho thi gian ma tng ng Số phần trăm của lượng mưa điểm đối với một khu vực cho trước 0 100 48 97 Diện tích... cỏc thi gian ma khỏc nhau c thit lp t kt qu phõn tớch v sõu ma- din tớch ma- thi gian ma trong ú ó chun b sn cỏc bn ng lng ma cho mi thi gian ma Cỏc bn ny c xõy dng t bng ghi v lng ma ln nht thc o trờn mt vựng cú trm o ma dy, ngi ta xỏc nh din tớch nm bờn trong mi ng ng lng ma trờn cỏc bn ny v lp biu sõu ma trung bỡnh quan h vi din tớch i vi tng thi gian ma 1.1.2.2 Quan h gia cng ma- thi gian ma-... lng ma ri xung mt t trong mt n v thi gian 5 Quan h gia cng ma - thi gian ma - tn sut thụng thng c biu din di dng th trong ú thi gian ma c t trờn trc honh, cng ma t trờn trc tung v cỏc ng cong tng ng vi thi k xut hin li + Cng ma: i = P T (mm/h hoc in/h) (1.1) + sõu ma: P (mm hoc in) + Thi gian ma: T (h) + Tn sut c biu th theo thi k xut hin li, ú l khong thi gian trung bỡnh gia cỏc bin c ma cú . ‘‘ 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. 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. 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.