Nghiên cứu xác định quy mô và hình thức bố trí hợp lý hồ điều hòa cho vùng hỗn hợp nông nghiệp đô thị

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LƯU VĂN QUÂN NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH QUY MÔ VÀ HÌNH THỨC BỐ TRÍ HỢP LÝ HỒ ĐIỀU HOÀ CHO VÙNG HỖN HỢP NÔNG NGHIỆP - ĐÔ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LƯU VĂN QUÂN

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH QUY MÔ VÀ HÌNH THỨC BỐ TRÍ HỢP LÝ

HỒ ĐIỀU HOÀ CHO VÙNG HỖN HỢP NÔNG NGHIỆP - ĐÔ THỊ

Chuyên ngành: Quy hoạch và quản lý tài nguyên nước

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2015

Công trình được hoàn thành tại Trường đại học thủy lợi

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS TS Trần Viết Ổn

Phản biện 01: GS TS Dương Thanh Lượng

Phản biện 02: GS TSKH Trần Hữu Uyển

Phản biện 03: TS Nguyễn Văn Tuấn

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại

………

……… Vào lúc … giờ… ngày….tháng….năm 2015

Có thể tìm hiểu luận án tại các thư viện:

- Thư viện Quốc gia

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án

Trong những thập kỷ gần đây, do nhu cầu của sự phát triển, nhiều khu đô thị, khu công nghiệp được xây dựng đã làm dịch chuyển cơ cấu đất đai của nhiều vùng từ thuần túy nông nghiệp sang hỗn hợp nông nghiệp-đô thị Sự thay đổi này đã gia tăng ngập úng tại các khu vực này Sử dụng hồ điều hòa điều tiết nước mưa giảm ngập úng là một giải pháp hữu hiệu Tuy vậy, đến nay chưa có nghiên cứu về ảnh hưởng của hồ điều hòa đến chi phí đầu tư xây dựng hệ thống

tiêu cho vùng hỗn hợp đã được công bố Do vậy, đề tài: “Nghiên cứu xác định

quy mô và hình thức bố trí hợp lý hồ điều hoà cho vùng hỗn hợp nông nghiệp-đô thị ” rất có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Xây dựng phương pháp luận thiết lập bài toán xác định quy mô và hình thức bố trí hợp lý hồ điều hòa nhằm giảm chi phí đầu tư xây dựng hệ thống tiêu cho vùng hỗn hợp nông nghiệp - đô thị

3 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

Luận án tập trung nghiên cứu xác định quy mô và hình thức bố trí hợp lý của hồ điều hoà để giảm chi phí đầu tư xây dựng hệ thống tiêu cho vùng hỗn hợp nông nghiệp - đô thị, áp dụng cho khu vực phía Tây TP Hà Nội

Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống tiêu cho vùng hỗn hợp nông nghiệp - đô thị,

áp dụng cụ thể cho hệ thống tiêu khu vực phía Tây thành phố Hà Nội

Phạm vi nghiên cứu:

- Quy mô và hình thức bố trí của hồ điều hòa trong hệ thống tiêu cho vùng hỗn hợp nông nghiệp - đô thị trong điều kiện mặt bằng, loại hình, độ dốc các tuyến kênh, vị trí, loại hình các công trình đã được xác định

- Không xét đến nước thải hay chất lượng nước, không xét đến các chi phí khác như: chi phí vận hành, bảo dưỡng, bảo trì của hệ thống tiêu

- Vùng nghiên cứu ứng dụng là phía Tây thành phố Hà Nội

4 Phương pháp nghiên cứu và cách tiếp cận

4.1 Cách tiếp cận: Tiếp cận hệ thống, kế thừa các công trình nghiên cứu đã có 4.2 Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng

Phương pháp kế thừa, phương pháp mô hình, mô phỏng, phương pháp phân tích

hệ thống và tối ưu hóa, phương pháp thống kê

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu

Ý nghĩa khoa học: Luận án cung cấp phương pháp luận khoa học cho việc xác

định quy mô và hình thức bố trí hợp lý hồ điều hòa cho vùng hỗn hợp nông nghiệp - đô thị

Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đề xuất được tỷ lệ diện tích và hình thức bố trí hợp

lý hồ điều hoà cho khu vực phía Tây Hà Nội Kết quả này có thể làm tài liệu tham khảo trong quy hoạch hồ điều hòa cho khu vực phía Tây TP Hà Nội và các khu vực khác có điều kiện tương tự

6 Những đóng góp mới của luận án

1) Luận án cung cấp phương pháp khoa học thiết lập và giải bài toán xác định quy mô và hình thức bố trí hợp lý hồ điều hòa nhằm giảm chi phí đầu tư xây dựng của hệ thống tiêu cho vùng hỗn hợp nông nghiệp – đô thị Phương pháp mới này gồm: Thiết lập bài toán; Xây dựng hàm mục tiêu; Xác định các thành phần trong hàm mục tiêu; Giải bài toán tối ưu; Đề xuất phương án chọn Phương pháp mới khắc phục được nhược điểm cơ bản của phương pháp cũ là rất hạn chế

về số lượng các phương án tính toán Do vậy phương án đề xuất hợp lý hơn rất nhiều

2) Luận án đã áp dụng thành công phương pháp mới này cho một lưu vực cụ thể

- lưu vực phía Tây Hà Nội trong điều kiện lưu vực này đang trong quá trình đô thị hóa, công nghiệp hóa Trên cơ sở ứng dụng mô hình SWMM 5.0, luận án đã

đầu mối đến hồ phân tán tại kênh chính và phân tán tại kênh nhánh, kết quả cho thấy: i) Đối với lưu vực này, tỷ lệ diện tích hồ điều hòa hợp lý dao động từ 2% đến 3,82% tùy thuộc vào hai yếu tố: (1) hình thức bố trí hồ tập trung tại đầu mối hay hồ bố trí phân tán trên kênh (Hồ càng phân tán thì tỷ lệ càng lớn) (2) Chi phí đền bù giải phóng mặt bằng (chi phí đền bù giải phóng mặt bằng càng lớn thì

tỷ lệ diện tích hồ điều hòa càng nhỏ và ngược lại) ii) Trong cùng một tỷ lệ diện tích, hồ càng phân tán chi phí đầu tư xây dựng càng giảm và ngược lại Kết quả này (lần đầu tiên) đã chứng minh được (bằng số liệu cụ thể) tính hiệu quả của phương châm “rải nước, chôn nước” của ngành thủy lợi đề ra Các kết quả trên đây có thể tham khảo và áp dụng cho các lưu vực tương tự khác

7 Bố cục của luận án: Gồm 03 chương chính sau:

Chương 1 Tổng quan về hồ điều hòa, ảnh hưởng của hồ điều hòa đến hệ thống

tiêu cho vùng hỗn hợp nông nghiệp - đô thị

Chương 2 Phương pháp luận và công cụ nghiên cứu

Chương 3 Nghiên cứu xác định quy mô và hình thức bố trí hợp lý hồ điều hòa

cho lưu vực thoát nước phía tây thành phố Hà Nội

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỒ ĐIỀU HÒA, ẢNH HƯỞNG CỦA HỒ ĐIỀU HÒA ĐẾN HỆ THỐNG TIÊU CHO VÙNG HỖN HỢP NÔNG

Hồ điều hòa trong hệ thống tiêu đồng thời thưc hiện nhiều chức năng như điều tiết nước mưa giảm ngập úng, trữ nước phục vụ tưới, nuôi thủy sản, cải thiện vi khí hậu, tạo sinh thái môi trường tốt, văn hóa tín ngưỡng…

Trong nghiên cứu này hồ điều hòa (gọi tắt là HĐH) chỉ tập trung xem xét hồ với chức năng điều tiết nước mưa giảm ngập úng

1.1.3 Các hình thức kết nối hồ điều hòa với hệ thống kênh

Có hai hình thức kết nối là hồ trên kênh và hồ bên kênh:

+ Hồ bên kênh là dạng có công trình kết nối từ hồ với hệ thống kênh bằng tràn hoặc cống hoặc kênh hay kết hợp kênh + tràn, kênh + cống

+ Hồ trên kênh là một phần kênh được mở rộng đóng vai trò điều tiết nước

1.2 Tổng quan về sử dụng hồ điều hòa

1.2.1 Trên thế giới

Hồ điều hòa cho mục đích giảm ngập tại các đô thị đã thực hiện rộng rãi từ những năm 60 của thế kỷ 20 tại các đô thị trên thế giới Tuy nhiên, sự phân bố các hồ không đồng đều, tỷ lệ diện tích hồ trên tổng diện tích tiêu là khác nhau giữa các đô thị và giữa các châu lục

1.2.2 Trong nước

Hồ điều hòa trong hệ thống tiêu nước đô thị có tỷ lệ diện tích từ 1% đến 5%, phần lớn là hồ tự nhiên, phân bố rải rác Một số hồ sử dụng chưa hiệu quả do vị trí, tỷ lệ diện tích, dung tích, kết nối hồ và kênh, quá trình vận hành

1.3 Tổng quan các nghiên cứu về hồ điều hòa

thấy hồ phân tán tốt hơn hồ tập trung về giảm lưu lượng đỉnh cũng như giảm ngập trong lưu vực

1.3.2 Trong nước

Một số nghiên cứu thoát nước bền vững đã xem xét hồ điều hòa dưới các khía cạnh phân tán, giảm lượng nước mưa tại nguồn (trữ tại hộ gia đình, tăng thấm) Các nghiên cứu về ảnh hưởng của hồ tới công trình đầu mối tiêu cũng đã được xem xét Ngoài ra, các nghiên cứu về lĩnh vực khác (môi trường, cảnh quan, sinh thái) cũng đã được công bố

Tóm lại, trên thế giới và trong nước chưa có nghiên cứu chỉ ra mối quan hệ giữa quy mô và hình thức bố trí hồ điều hòa đến chi phí đầu tư xây dựng của toàn hệ thống tiêu cho vùng hỗn hợp nông nghiệp - đô thị

1.4 Nhận xét chương

Các kết quả nghiên cứu cho thấy: 1) Tỷ lệ diện tích hồ điều hòa tại các đô thị trên thế giới và trong nước rất khác nhau 2) Hầu hết các nghiên cứu tập trung chức năng cải tạo môi trường, cảnh quan, trữ nước sử dụng cho mục đích khác nhau 3) Phân tán hồ có hiệu quả tốt cho cắt giảm lưu lượng đỉnh, diện tích ngập

và độ sâu ngập úng phụ thuộc vào quy mô hình thức bố trí hồ điều hòa 4) Hồ điều hòa trong hệ thống tiêu nông nghiệp được nghiên cứu ở mức độ đơn giản:

hồ nuôi trồng thủy sản, trữ nước trên ruộng lúa 5) Ảnh hưởng của hồ điều hòa đến công trình đầu mối là rất rõ nét

Chưa có nghiên cứu chỉ ra mối quan hệ giữa quy mô và hình thức bố trí hồ điều hòa đến chi phí đầu tư xây dựng của hệ thống tiêu cho vùng hỗn hợp nông nghiệp – đô thị

Với những lý do trên, đề tài: “Nghiên cứu xác định quy mô và hình thức bố trí

hợp lý hồ điều hoà cho vùng hỗn hợp nông nghiệp-đô thị” được đề xuất nghiên

cứu

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP LUẬN VÀ CÔNG CỤ NGHIÊN CỨU

2.1 Hồ điều hòa trong hệ thống tiêu

2.1.1 Hồ điều hòa trong hệ thống thoát nước mưa đô thị

Hồ điều hòa là một trong các hạng mục của hệ thống thoát nước đô thị Hồ điều hòa có nguồn gốc là hồ tự nhiên hoặc hồ nhân tạo phân bố trong khu dân cư hoặc công viên nhằm trữ nước mưa giảm ngập úng, cải tạo môi trường, cấp nước tưới, tạo cảnh quan và giải trí

2.1.2 Hồ điều hòa hệ thống tiêu nông nghiệp

Hồ điều hòa trong hệ thống tiêu nông nghiệp là những ao, hồ tự nhiên sẵn có trước công trình đầu mối tiêu, các ao hồ tự nhiên phân bố rải rác, các ao nhân tạo phục vụ nuôi thủy sản hoặc trữ nước tưới Các hồ có chức năng trữ nước mưa giảm lưu lượng đỉnh cho công trình sau hồ, nuôi cá, cấp nước tưới

2.1.3 Hệ thống tiêu cho vùng hỗn hợp nông nghiệp – đô thị

Hệ thống tiêu cho vùng hỗn hợp nông nghiêp - đô thị đồng thời có các công trình phụ trách tiêu cho diện tích đô thị, công trình phụ trách tiêu cho diện tích đất nông nghiệp và công trình tiêu chung cho cả hai vùng trên Các công trình trong

hệ thống mang đặc điểm của diện tích phụ trách là đô thị hay nông nghiệp

2.2 Xây dựng bài toán xác định quy mô và hình thức bố trí hợp lý của hồ điều hòa

Hình 2.7 Sơ họa hệ thống tiêu cho vùng hỗn hợp nông nghiệp – đô thị

Bài toán áp dụng cho vùng hỗn hợp nông nghiệp - đô thị Các điều kiện ban đầu của bài toán là vùng nghiên cứu đã được quy hoạch mặt bằng tiêu (đã xác định

vị trí các công trình đầu mối tiêu, cống điều tiết, các tuyến kênh), có quy hoạch

sử dụng đất, quy hoạch hạ tầng Có thể bố trí được diện tích hồ điều hòa đến một

tỷ lệ nhất định

Yêu cầu: Xác định quy mô và hình thức bố trí hồ điều hòa nhằm đạt được chi phí đầu tư xây dựng toàn hệ thống là nhỏ nhất với điều kiện không để ngập úng xảy ra ứng với trận mưa thiết kế xuất hiện

truyền thống

a Phương pháp truyền thống

Đề xuất nhiều phương án:

(kênh, CT đầu mối, HĐH)

Thiết kế các phương án (Tính toán

thủy văn, thủy lực - xác định lưu

lượng thiết kế và quy mô của các

Giải bài toán tối ưu đa mục tiêu

(Sử dụng phương pháp quy hoạch

thực nghiêm để giải)

Đề xuất phương án chọn

Đề xuất một vài phương

án (kênh, đầu mối, HĐH) Tính toán xác định lưu lượng thiết kế của các PA

Tính toán kinh tế, kỹ thuật các phương án

Nghiên cứu đặc trưng lưu vực: địa hình, địa chất, sử dụng đất, …

So sánh các phương án, xác định phương án hợp lý

Đề xuất phương án chọn

Người thiết kế đưa ra phương án theo kinh nghiệm, tính toán và so sánh trực tiếp

để chọn ra phương án hợp lý Trình tự giải như hình 2.8 Ưu điểm của phương pháp là dễ thực hiện, nhược điểm là khối lượng tính toán lớn, kết quả phụ thuộc nhiều vào chủ quan của người đề xuất phương án

b Phương pháp mới

Tác giả đề xuất một phương pháp mới để xác định quy mô và hình thức bố trí hợp lý của hồ điều hòa (hình 2.9) Bao gồm xây dựng hàm mục tiêu, giải bài toán tối ưu đa mục tiêu bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, đề xuất phương án hợp lý

Ưu điểm cơ bản là phương án đề xuất là tăng được các trường hợp nghiên cứu lên rất nhiều lần, không phụ thuộc vào kinh nghiệm của người đề xuất phương

án Do vậy, tính hợp lý của phương án đề xuất là rất cao

2.3.2 Cơ cở xác định quy mô và hình thức bố trí hồ điều hòa

Vị trí xây dựng hồ nên tận dụng tối đa hồ ao tự nhiên, đất nông nghiệp và không trùng vào các hạ tầng kỹ thuật đã được quy hoạch

Các kịch bản tính toán là tổ hợp của tỷ lệ diện tích hồ điều hòa và hình thức bố trí (tập trung hay phân tán) nằm trong miền xác định thuộc mặt phẳng chứa trục quy mô hồ điều hòa và trục hình thức bố trí (hình 2.10)

n

2 1

n n

n n

n

2 2

2 2

2

1 1

1 1

1

KB KB KB

VT Nm VT Ni VT 02 N VT 01 N VT

KC

.

.

.

.

.

.

VT Nm VT Ni VT 02 N VT 01 N VT

KC

VT Nm VT Ni VT 02 N VT 01 N VT

KC

m _ Nhánh i _ Nhánh 02 _ Nhánh 01 _ Nhánh chính

Sau khi đề xuất các kịch bản về hình thức bố trí và quy mô hồ điều hòa cần phải xác định quy mô của các công trình trong hệ thống theo hai bước sau:

Bước 1: Xác định kích thước sơ bộ của kênh, trạm bơm theo quy định hiện hành,

cụ thể là theo công thức tại TCVN 7957: 2008, TCVN 4118-85

Bước 2: Sử dụng mô hình thủy văn, thủy lực để kiểm tra lại hệ thống đã xác

định sơ bộ theo bước 1 Bài toán này đề nghị sử dụng mô hình SWMM 5.0 để

mô phỏng đối với hệ thống tiêu vùng đô thị và phương pháp hồ chứa mặt ruộng cho vùng nông nghiệp Kết quả tính toán của phương pháp hồ chứa mặt ruộng là quá trình lưu lượng được nhập vào nút của mô hình SWMM 5.0

2.3.4 Xây dựng hàm mục tiêu, điều kiện ràng buộc

a Hàm mục tiêu tổng quát

Hàm mục tiêu tổng quát cho bài toán thiết kế hợp lý chỉ còn là chi phí đầu tư xây dựng nhỏ nhất và hàm mục tiêu tổng quát có dạng sau:

Min C

C C

C C C

C

j

T

1 hdh m

1 thkj n

1 đmi j

hdh j htk j

Trong đó: C j ht: Tổng chi phí đầu tư xây dựng cho toàn hệ thống tiêu kịch bản thứ

j, C j đm : Tổng chi phí đầu tư xây dựng cho các đầu mối tiêu kịch bản thứ j, C j htk:

Tổng chi phí đầu tư xây dựng cho hệ thống đường dẫn (kênh dẫn) kịch bản thứ j,

C j hdh : Tổng chi phí đầu tư xây dựng cho các hồ điều hòa kịch bản thứ j, J: chỉ số kịch bản thứ J = 1, 2, 3, ., n: Số lượng công trình trạm bơm đầu mối, m: số

lượng đoạn kênh của hệ thống, T: số lượng hồ trong hệ thống

b Điều kiện ràng buộc

Các điều kiện ràng buộc trong mô phỏng: 1) Fngập = 0; Không xảy ra ngập úng với trận mưa tính toán 2) Fhồ < (a%* Flưu vực); Diện tích hồ điều hòa nhỏ hơn a% tổng diện tích lưu vực tiêu 3) Việc xây dựng các hồ điều hòa là hoàn toàn khả thi 4) Giả thiết vùng nghiên cứu đã xác định rõ ranh giới, đã có quy hoạch mặt bằng tuyến kênh hay đường ống, độ dốc của mỗi đoạn kênh đã xác định, hình

thức kết cấu đã cố định, hồ điều hòa làm việc theo hình thức tự chảy 5) Các kịch bản phải cùng hình thức kết cấu công trình, cùng đơn giá và thời điểm tính toán

c Xây dựng hàm mục tiêu cụ thể cho vùng nghiên cứu

Việc xác định hàm mục tiêu cụ thể cho các vùng nghiên cứu được thực hiện trên

cơ sở xác định các thành phần hàm hồi quy Thực hiện theo 02 cách như:

- Cách 1: Tính trực tiếp chi phí xây dựng, xây dựng hàm hồi quy giữa chi phí xây dựng và lưu lượng Cách 2: Chi phí xây dựng được lấy từ các dự án trong vùng, lập các hàm hồi quy giữa chi phí đầu tư xây dựng và lưu lượng hay diện tích hồ để xác định các thành phần của hàm mục tiêu

Trong nghiên cứu này cả 2 cách trên được tác giả chọn lựa để xây dựng hàm mục tiêu cụ thể cho vùng nghiên cứu

Trình tự lập hàm hồi quy cho từng hạng mục được thực hiện như sau:

* Đầu mối hệ thống tiêu là trạm bơm động lực

Khu đầu mối của hệ thống là trạm bơm Hàm hồi quy ứng mới mỗi loại máy có

Hàm hồi quy của kênh cấp 1 và 2: C k1,2 = f 2 (Q k1,2 ); (2.32)

* Kênh cấp 3: Hầu hết các kênh cấp 3 có kết cấu phổ biến là cống tròn bằng bê tông cốt thép đúc sẵn hoặc cống hộp bằng bê tông cốt thép, chôn ngầm dưới đất

Hàm hồi quy của kênh cấp 3 có dạng: C k3 = f 3 (Q k3 ); (2.33a)

* Hồ điều hòa: Trong nghiên cứu này hồ điều hòa có chức năng điều hòa nước

* Hàm mục tiêu cụ thể

Trên cơ sở hàm (2.25) và các hàm (2.30, 2.31, 2.32, 2.33a, 2.33b) đã lập, hàm

mục tiêu cụ thể có dạng: C = f 1 (Q đm ) + f 2 (Q k1,2 ) + f 3 (Q kc3 ) + f 4 (F h ); (2.34)

2.3.5 Ứng dụng hàm mục tiêu cho việc chọn kịch bản hợp lý

a Quan hệ giữ lưu lượng và diện tích hồ điều hòa

Quan hệ giữa tổng lưu lượng đỉnh của đầu mối tiêu, tổng lưu lượng đỉnh của hệ thống kênh với diện tích hồ là quan hệ nghịch biến

b Quan hệ giữ chi phí và diện tích hồ

Từ các đường quan hệ nêu trên, tồng hợp được quan hệ giữa chi phí đầu tư xây dựng với diện tích hồ hay tỷ lệ diện tích hồ như hình 2.26 dưới đây

Trong đó: Cđm chi phí đầu tư xây dựng khu đầu mối, Chtk chi phí đầu tư xây hệ thống kênh, Chdh chi phí đầu tư xây dựng hồ điều hòa, Cht chi phí đầu tư xây dựng toàn hệ thống

Hình 2.26 Dạng đường quan hệ của chi phí đầu tư xây dựng và diện tích hồ