ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWMM TÍNH TIÊU THOÁT NƯỚC CHO KHU TÁI ĐỊNH CƯ XÃ VĨNH LỘC B – HUYỆN BÌNH CHÁNH – THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWMM TÍNH TIÊU THOÁT NƯỚC CHO KHU TÁI ĐỊNH CƯ XÃ VĨNH LỘC B – HUYỆN BÌNH CHÁNH – THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LỜI GIỚI THIỆU

Mục lục

ĐẶNG XUÂN DŨNG (S6 – 45H)

Giáo viên hướng dẫn : KS TRIỆU ÁNH NGỌC

Tp Hoà Chí Minh Tháng 5 năm 2008

LÊ THỊ THANH TRÚC (S6 – 45H)

Sinh viên thực hiện :TỐNG ĐÌNH QUYẾT (S6 – 45H)

HUYỆN BÌNH CHÁNH – THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

MƯA – NƯỚC THẢI CHO KHU TÁI ĐỊNH CƯ XÃ VĨNH LỘC B

SWMM TÍNH TOÁN THOÁT NƯỚC ỨNG DỤNG PHẦN MỀM

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

LỜI MỞ ĐẦU 3 U PHẦN I : NỘI DUNG ĐỀ TÀI 5

I Thông tin chung đề tài 5

II Nội dung khoa học công nghệ của đề tài : 5

PHẦN II : LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ MẠNG LƯỚI THOÁT NƯỚC 7

I Lý Thuyết Cơ Bản Về Mạng Lưới Thoát Nước 7

1 Nhiệm vụ của hệ thống thoát nước và các loại nước thải : 7

2 Nguyên tắc vạch tuyến mạng lưới thoát nước: 8

II Tính toán về mạng lưới thoát nước 9

PHẦN III : GIỚI THIỆU PHẦN MỀM 11

I Giới thiệu phần mềm SWMM : 11

Mô hình toán SWMM (Storm Water Management Model ) là mô hình động lực học mô phỏng mưa – dòng chảy cho các khu vực đô thị cả về chất và lượng, và tính toán quá trình chảy tràn từ mỗi lưu vực bộ phận đến cửa nhận nước của nó 11

II Khả năng của phần mềm SWMM : 11

Mục đích ứng dụng mô hình toán SWMM cho hệ thống thoát nước được triển khai nhằm : 13

Những ứng dụng điển hình của SWMM : 13

III Các thuật toán trong SWMM : 14

1.Tính toán lượng mưa hiệu quả 15

2.Tính toán thấm, lượng thấm: 16

3.Tính toán dòng chảy mặt 18

IV Cấu tạo mạng lưới thoát nước trong SWMM 19

V Giao diện làm việc của mô hình SWMM 20

PHẦN IV : ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWMM TÍNH TIÊU THOÁT NƯỚC CHO KHU TÁI ĐỊNH CƯ XÃ VĨNH LỘC B – HUYỆN BÌNH CHÁNH - THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 21 I Tổng quan về khu vực thiết kế : 21

2 Hiện trạng chuẩn bị kỹ thuật và thoát nước mưa: 21

II Mô phỏng mạng lưới thoát nước bằng mô hình trong SWMM 22

1 Các thông số đầu vào 22

2 Các bước thực hiện mô phỏng một Project : 24

Hình 10: Sơ đồ mô phỏng mạng lưới thoát nước trong mô hình SWMM 27

III Các phương án tính toán 36

IV Nội dung tính toán 37

PHẦN V : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55

Kết luận: 55

Kiến nghị : 57

CÁC TÀI LIỆU ĐÃ THAM KHẢO 58

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại hiện nay “ môi trường và phát triển bền vững ” là những vấn đề được nhiều nước và nhiều tổ chức quốc tế quan tâm Ở một khía cạnh nào đó để góp phần đảm bảo cho môi trường không bị suy thoái và phát triển một cách bền vững thì phải chú ý giải quyết vấn đề “ xử lý nước thải và vệ sinh môi trường ” một cách hợp lý

“Thoát nước thải sinh hoạt ” là một vấn đề cấp bách cho mọi người, mọi nước trên thế giới Vấn đề ô nhiễm nước đã làm cho loài người mắc nhiều bệnh tật mà đáng

lẽ có thể khắc phục được hoặc không bị mắc phải, nếu như có hệ thống nước thải một cách thích hợp Vì vậy:

Đề tài : “ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWMM TRONG TÍNH TOÁN MÔ

nghiên cứu các kiến thức cần thiết trong lĩnh vực thoát nước đô thị đang được ứng

dụng trong thực tế để tiêu thoát nước

Đề tài bao gồm các phần chính sau:

Đề tài đưa ra từ các phương pháp tính toán tiêu thoát nước Qua đó ta có thể hiểu thêm về các cách tính toán kỹ thuật chuyên ngành cấp thoát nước và vệ sinh đáp ứng yêu cầu của người sử dụng

Hy vọng là đề tài này sẽ có ích cho các sinh viên và những người quan tâm

Do thời gian ngắn, khuôn khổ chương trình hẹp, kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế, nên đề tài này chắc chắn còn nhiều hạn chế Rất mong nhận được đóng góp xây dựng của các bạn sinh viên và những người quan tâm để đề tài được hữu ích hơn cho công tác nghiên cứu và ứng dụng sau này

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Triệu Ánh Ngọc đã tận tình hướng dẫn

và các giáo viên chuyên môn khác đã chỉ bảo và góp ý kiến cho chúng em hoàn thành tốt đề tài này

PHẦN I : NỘI DUNG ĐỀ TÀI

I Thông tin chung đề tài

1.Tên đề tài : “ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWMM TRONG TÍNH TOÁN MÔ

PHỎNG MẠNG LƯỚI THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ “

2 Giáo viên hướng dẫn :

Kỹ sư : Triệu Ánh Ngọc

3 Sinh viên thực hiện :

Tống Đình Quyết

Lớp : S7 - 46H – Cơ sở II – Đại Học Thủy Lợi

Đặng Xuân Dũng & Lê Thị Thanh Trúc

Lớp : S6 - 45H – Cơ sở II – Đại Học Thủy Lợi

4 Thời gian thực hiện : Từ ngày 04/12/2007 đến 25/04/2008

II Nội dung khoa học công nghệ của đề tài :

1 Mục tiêu của đề tài:

E Nhằm giúp cho sinh viên có cơ hội tiếp cận các vấn đề khoa học, biết vận dụng, bổ sung, nâng cao các kiến thức đã được học trong nhà trường

E Nhằm nâng cao khả năng nghiên cứu khoa học trong sinh viên

E Đi sâu nghiên cứu môn học “Thoát nước”, tập trung trong việc xây dựng thuật toán tính tiêu thoát nước đô thị

E Nhằm tạo ra một công cụ tính toán tiêu thoát nước linh hoạt nhanh chóng nhưng vẫn đảm bảo tính chính xác cao

E Kiểm tra khả năng tiêu nước tự chảy của đuờng ống, diễn biến dòng chảy trong cống theo từng thời đoạn nhất định từ đó đề ra biện pháp khắc phục nếu có sự cố xảy ra

2 Sự cần thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội của đất nước, đời sống người dân, nhất là ở các đô thị, đã được cải thiện rất nhiều Nhu cầu xây dựng tăng nhanh, mạnh cùng với nhu cầu tiện nghi để bảo đảm chất lượng cuộc sống Khu vực nghiên cứu dự án đang trong giai đoạn xây dựng, đô thị hoá khá nhanh, nhưng hầu như chưa có hệ thống thoát nước Nhiều khu vực thường bị ngập úng nặng nề về mùa mưa gây nhiều thiệt hại cho người dân và ô nhiễm môi trường trầm trọng Trên địa bàn

vẫn đang tiến hành xây dựng các đường cống thoát nước để phục vụ cho các nhu cầu trước mắt Song do chưa có quy hoạch cụ thể hoặc dự án, nên việc xây dựng đều có tính chất chắp vá, đối phó, cục bộ, nếu cứ tiếp tục sẽ gây nên các lãng phí và rất khó khăn cho việc cải tạo sau này Nhu cầu về thoát nước đã dần trở nên bức bách, đòi hỏi

hệ thống thoát nước phải sớm được xây dựng Dự án này sẽ giúp cho việc xây dựng hệ thống thoát nước hợp lý, hoàn thiện và có hiệu quả hơn trên địa bàn toàn khu vực

3 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

E Tìm hiểu về thuật toán được sử dụng trong phần mềm, khả năng mô phỏng thủy lực trong thoát nước Phạm vi ứng dụng của đề tài

E Thu thập các tài liệu địa hình, địa chất, khí tuợng thủy văn… của lưu vực tính toán, trên cơ sở đó tiến hành vạch tuyến mạng lưới thoát nuớc, tính toán lượng mưa tiêu ứng với tần suất 90%, lượng nước thải của lưu vực

E Ứng dụng phần mềm SWMM để kiểm tra khả năng tự chảy của đường ống, dao động mực nước trong các công trình( hồ), ảnh hưởng của thủy triều tới lưu vực

4 Phạm vi nghiên cứu của đề tài :

E Nghiên cứu mô hình thuật toán được sử dụng tính toán trong phần mềm, và ứng dụng khả năng mô phỏng của phần mềm để tính toán cho mạng thoát nước đô thị

E Tính toán tiêu thoát nước cho 1 lưu vực đô thị (Trong đề tài này là khu dân cư tái định cư xã Vĩnh Lộc B – huyện Bình Chánh – Tp Hồ Chí Minh)

PHẦN II : LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ MẠNG LƯỚI

THOÁT NƯỚC

I Lý Thuyết Cơ Bản Về Mạng Lưới Thoát Nước

1 Nhiệm vụ của hệ thống thoát nước và các loại nước thải :

Do hoạt động hàng ngày của con người mà ở các đô thị và điểm dân cư tạo ra nhiều nguồn ô nhiễm có đặc tính khác nhau Những nguồn ô nhiễm đó bao gồm các chất thải sinh lý của người, động vật nuôi và chất thải của quá trình sản xuất theo nước thải xả vào môi truờng bên ngoài

Nước cấp sau khi sử dụng vào mục đích sinh hoạt, sản xuất, nước mưa chảy trên các mái nhà, mặt đường, sân vườn…trở thành nước thải chứa nhiều hợp chất vô

cơ, hữu cơ dễ bị phân hủy thối rữa và chứa nhiều vi trùng gây và truyền bệnh nguy hiểm Nếu những loại nuớc thải này xả 1 cách bừa bải sẽ gây ô nhiễm môi trường nước, đất và không khí, nẩy sinh và lan truyền các thứ bệnh hiểm nghèo ảnh hưởng tới sức khỏe của con người Mặt khác, nếu không thu gom vận chuyển đi thì có thể gây nên tình trạng ngập lụt trong các điểm dân cư xí nghiệp công nghiệp, làm hạn chế đất đai xây dựng, ảnh hưởng đến nền móng công trình gây trở ngại giao thông và tác hại tới 1 số nghành kinh tế khác…

Vì vậy nhiệm vụ của hệ thống thoát nước là thu gom vận chuyển nhanh chóng mọi loại nuớc thải ra khỏi khu vực dân cư, xí nghiệp công nghiệp, đồng thời xử lý và khử trùng đạt yêu cầu vệ sinh trước khi xả vào nguồn tiếp nhận

Nước thải có nhiều loại khác nhau tùy theo tính chất và nguồn gốc của nó người

ta phân biệt 3 loại chính sau đây :

o Nước thải sinh hoạt : Thải ra từ các chậu rửa, bồn tắm , nhà xí, tiểu

chứa nhiều chất hữu cơ và vi trùng

o Nước xám : Nước sinh hoạt không chứa phân, nước tiểu thải ra từ các

hộ gia đình bao gồm : nước đã qua bồn tắm, vòi hoa sen, chậu giặt trong nhà tắm, máy giặt và bồn giặt…

o Nước thải sản xuất : Thải ra sau qua trình sản xuất Thành phần và

tính chất phụ thuộc vào lĩnh vực công nghiệp, nguyên liệu tiêu thụ, công nghệ sản xuất…mà khác nhau rất nhiều

2 Nguyên tắc vạch tuyến mạng lưới thoát nước:

Mạng lưới thoát nước có thể gồm một hay một vài cống góp chính phục vụ cho một vài lưu vực thoát nước Lưu vực thoát nước là một phần diện tích của đô thị hay của xí nghiệp công nghiệp mà nước thải cho chảy tập trung về một cống nước chính Phần ranh giới lưu vực là các đường phân thủy Các cống góp chính thường đặt theo đường tụ thủy

Hệ thống thoát nước thường thiết kế theo nguyên tắc tự chảy, khi cống đặt quá sâu thì dùng máy bơm nâng lên cao sau đó lại tiếp tục tự chảy

Vạch tuyến mạng lưới thoát nước tiến hành theo thứ tự sau:

¾ Phân chia lưu vực thoát nước

¾ Xác định vị trí trạm xử lý, vị trí xả nước vào nguồn

¾ Vạch tuyến cống góp chính cống góp lưu vực, cống đường phố tuân theo các nguyên tắc sau :

o Phải hết sức lợi dụng địa hình đặt cống thoát nước thoát nước theo chiều nước tự chảy từ phía đất cao đến phía đất thấp của lưu vực đảm bảo lượng nước thải lớn nhất tự chảy theo cống, tránh đào đắp nhiều tránh đặt nhiều trạm bơm lãng phí

o Đặt cống đường phố thật hợp lý để tổng chiều dài là ngắn nhất tránh trường hợp nước chảy vòng vo, tránh đặt cống sâu

Phụ thuộc vào địa hình diện tích của các tiểu khu nhà ở, quy hoạch kiến trúc biện pháp thi công xây dựng và sự phân khu quản lý hành chính của đô thị mà có thể vạch tuyến mạng lưới đường phố theo các sơ đồ sau :

o Sơ đồ hộp : Cống được đặt dọc theo các đường phố bao quanh các

tiểu khu Sơ đồ này áp dụng khi địa hình bằng phẳng, tiểu khu có diện tích lớn và công trình không xây dựng sâu vào bên trong (trong đề tài này dùng sơ đồ này)

o Sơ đồ ranh giới thấp : Cống được đặt theo đường phố ở phía ranh giới

thấp của tiểu khu Sơ đồ này áp dụng khi địa hình có độ dốc tương đối lớn

Trong thực tế, khi so sánh các phương án vạch tuyến mạng lưới thoát nước đường phố xuyên qua tiểu khu Trong trường hợp này, mạng lưới thoát nước trong tiểu khu thường kéo dài và các ống nhánh nối đi từ các tiểu khu này qua các tiểu khu khác Tổng chiều dài mạng lưới ngắn hơn các sơ đồ vạch tuyến trên Tuy nhiên việc quản lý

có thể gặp nhiều khó khăn, khó phân cấp và kém hiệu quả

Các cống chính vạch theo hướng về trạm xử lý và cửa xả nước vào nguồn tiếp nhận

Vị trí trạm xử lý đặt ở phía thấp của đô thị, xí nghiệp, công nghiệp, nhưng không bị ngập lụt, cuối hướng gió chủ đạo mùa hè, cuối nguồn nước, đảm bảo khoảng cách tối thiểu 500m đối với khu dân cư, xí nghiệp công nghiệp chế biến thực phẩm

Giảm tới mức tối thiểu cống chui qua sông hồ, cầu phà, đê đập, đường sắt, đường ô tô và các công trình ngầm khác

Việc bố trí cống thoát nước phải bố trí kết hợp với công trình ngầm khác, phải đảm bảo cho việc xây dựng khai thác sử dụng được thuận lợi …

II Tính toán về mạng lưới thoát nước

Tính toán lưu lượng nước thải

Từ hai công thức Q = ωv và v = C Ri, khi tính toán chỉ mới biết được lưu lượng, còn 3 giá trị chưa biết là v,ω,I, do đó không thể giải được mà phải tính toán lựa chọn hợp lý dần Người ta đã lập sẵn các bảng tính toán, các biểu đồ và toán đồ để tiện

sử dụng trong khi thiết kế

Trong các bảng số, ứng với mỗi đường kính d (hoặc đường kính kênh mương )

và độ dốc i, dẫn ra các thông số về lưu lượng, tốc độ với độ đầy từ 0,05 đến 1d Dựa theo lưu lượng Q và độ dốc địa hình, với độ đầy lựa chọn h/d, ta lựa chọn đường kính cống, sau đó chọn i và xác định V

Xác định lưu lượng tính toán cho từng đoạn cống :

Căn cứ vào giai đoạn xây dựng quy hoạch hệ thống mạng lưới thoát nước được chia ra các đoạn có độ dài khác nhau Đoạn cống tính toán là khoảng cách giữa hai điểm (giếng thăm) mà lưu lượng dòng chảy quy ước là không đổi Để xác định lưu lượng tính toán cần nắm các khái niệm sau :

¾ Lưu lượng dọc đường: Lượng nước từ các khu nhà thuộc lưu vực nằm dọc 2

bên cống đổ vào đoạn cống

¾ Lưu lượng chuyển qua: Lượng nước từ đoạn cống phía trên đổ vào điểm đầu

của đoạn cống

¾ Lưu lượng cạnh sườn: Lượng nước từ cống nhánh của cạnh sườn đổ vào

điểm đầu của đoạn cống

¾ Lưu lượng tập trung: Lượng nước chuyển qua đoạn cống từ các đơn vị thải

nước lớn từ các đơn vị nằm riêng biệt ở phía trên đoạn cống (xí nghiệp công nghiệp, trường học, nhà tắm công cộng)

Lưu lượng dọc đường là 1 đại lượng biến đổi tăng dần từ số 0 ở đầu đoạn cống đến giá trị lớn nhất ở cuối đoạn cống Lưu lượng chuyển qua, lưu lượng cạnh sườn, lưu lượng tập trung đổ vào đoạn cống có giá trị không đổi suốt chiều dài

Chú ý: Tại những chỗ thay đổi hướng nước chảy thay đổi đường kính tại những

chỗ giao lưu của các dòng chảy phải xây dựng giếng thăm và cống được thay bằng máng hở lượn đều

Tại những chỗ ngoặt thường gây sức cản cục bộ Quy định góc chuyển tiếpα

của máng hở không lớn hơn 900 Góc α =900 đối với cống có d<400 mm,còn đối với cống có d>400mm, góc chuyển tiếp đó α <600

Lưu lượng nước thải tính toán trong đề tài này gồm có : Nước thải sinh hoạt từ các khu dân cư hộ gia đình, từ các khu công nghiệp các công trình công cộng(trường học,bệnh viện)và nước mưa Trong đó nước thải sinh hoạt từ các khu dân cư và nước thải công cộng được tính như sau :

Công thức tính toán : Qng 1000. tc

tb

q N

Trong đó :

ngđ

tb

Q : Lưu lượng trung bình ngày đêm ( m3/ngđ)

N : Dân số tính toán ( người)

q : Tiêu chuẩn thải nước ( l/người.ngđ) tc

Trong các khu công nghiệp người ta chia ra làm các phân xưởng nóng và phân xưởng lạnh, dựa vào số công nhân, số ca làm việc, tiêu chuẩn dùng nước của từng công nhân trong các phân xưởng nóng và lạnh ta tính được lưu lượng nước thải ngày đêm của từng xí nghiệp công nghiệp

PHẦN III : GIỚI THIỆU PHẦN MỀM

I Giới thiệu phần mềm SWMM :

Mô hình toán SWMM (Storm Water Management Model ) là mô hình động lực học mô phỏng mưa – dòng chảy cho các khu vực đô thị cả về chất và lượng, và tính toán quá trình chảy tràn từ mỗi lưu vực bộ phận đến cửa nhận nước của nó

Mô hình vừa có thể mô phỏng cho từng sự kiện ( từng trận mưa đơn lẻ ), vừa có thể mô phỏng liên tục

Mô hình này do Metcalf và Eddy xây dựng năm 1971, là sản phẩm của 1 hợp đồng kinh tế giữa trường ĐH Florida và tổ chức bảo vệ môi trường Hoa kỳ EPA (The U.S.Environment Protection Agency )

Khi mới ra đời mô hình chạy trên môi trường DOS Mô hình liên tục được cập nhập và phiên bản mới nhất là SWMM 5.0 chạy trên môi trường WINDOW Phiên bản mới này được viết lại bởi một bộ phận trong phòng thí nghiệm nghiên cứu Quản lý rủi ro Quốc gia của EPA

Các phiên bản đã qua của SWMM :

Mô hình quản lý nước mưa SWMM là 1 mô hình toán học toàn diện, dùng để

mô phỏng khối lượng và tính chất dòng chảy đô thị do mưa và hệ thống cống thoát nước thải chung Mọi vấn đề về thuỷ văn đô thị và chu kỳ chất lượng đều được mô

phỏng, bao gồm dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm, vận chuyển qua mạng lưới hệ

thống tiêu thoát nước, hồ chứa và khu xử lý

Mơ hình SWMM mơ phỏng các dạng mưa thực tế trên cơ sở lượng mưa (biểu

đồ quá trình mưa hàng năm) và các số liệu khí tượng đầu vào khác cùng với hệ thống

mơ tả

(lưu vực, vận chuyển, hồ chứa / xử lý) để dự đốn các trị số chất lượng và khối lượng dịng chảy

Dòng chảy(Khối Runoff)

Nhận nước (KhốiReceiving)

Truyền tải chảy mặt

Hình 1: Các khối xử lý chính trong mơ hình SWMM

Trong sơ đồ trên bao gồm các khối sau:

¾ Khối “dịng chảy” (Runoff block) tính tốn dịng chảy mặt và ngầm dựa trên biểu đồ quá trình mưa (và/hoặc tuyết tan) hàng năm, điều kiện ban đầu về sử dụng đất

và địa hình

¾ Khối “truyền tải” (Transport block) tính tốn truyền tải vật chất trong hệ thống nước thải

¾ Khối “chảy trong hệ thống” (Extran block) diễn toán thủy lực dòng chảy phức tạp trong cống, kênh…

¾ Khối “Trữ/xử lý“ (Strorage/Treatment block) biểu thị các công trình tích nước như ao hồ…và các công trình xử lý nước thải, đồng thời mô tả ảnh hưởng của các thiết bị điều khiển dựa trên lưu lượng và chất lượng - các ước toán chi phí cơ bản cũng được thực hiện

¾ Khối “nhận nước” (Receiving block) Môi trường tiếp nhận

Mục đích ứng dụng mô hình toán SWMM cho hệ thống thoát nước được triển khai nhằm :

o Xác định các khu vực cần xây mới hoặc mở rộng cống thoát nước mưa

để giảm tình trạng ngập lụt đường phố hoặc cung cấp dịch vụ thoát nước thải cho những khu vực mới phát triển

o Ước tính lưu lượng nước lũ trong kênh và các chi lưu để xác định vị trí của kênh cần cải thiện nhằm giảm thiểu tình trạng tràn bờ

o Cung cấp công cụ quy hoạch để đánh giá việc thực hiện các cống chắn dòng dọc kênh

Những ứng dụng điển hình của SWMM :

o Quy hoạch hệ thống thoát nước mưa

o Quy hoạch ngăn tràn cống chung

o Quy hoạch hệ thống thoát nước lũ ở kênh hở

o Quy hoạch cống ngăn lũ

o Quy hoạch hồ chứa phòng lũ

SWMM xem xét mọi quá trình thủy văn tạo dòng chảy trên lưu vực đô thị như :

o Chất ô nhiễm từ nước thải sinh hoạt, từ các khu vực khác nhau

o Ô nhiễm do dòng chảy cuốn đi khi mưa

o Nguồn ô nhiễm khác chảy từ bên ngoài vào hệ thống tiêu thoát nước

o Diễn toán chất lượng nước trong hệ thống kênh

o Ước tính sự giảm chất ô nhiễm từ các bể lắng đọng hoặc trạm xử lý nước

III Các thuật toán trong SWMM :

Cơ sở toán học của SWMM :

Phần mền SWMM này gồm 2 modun chính đó là :

¾ Modun Runoff trong SWMM là modun tính dòng chảy từ mưa, các chất ô nhiễm trên các lưu vực

¾ Modun Transport trong SWMM diễn toán dòng chảy trên / trong hệ thống các đường ống, kênh dẫn, các hồ điều hòa, trạm bơm, trạm xử lý của hệ thống tiêu thoát nước đô thị

SWMM cho phép tính toán dòng chảy cả về chất và lượng trong từng lưu vực con, tốc

độ chảy, chiều sâu chảy, chất lượng nước trong từng đoạn ống cống, kênh dẫn trong quá trình mô phỏng bao gồm nhiều bước thời gian

1.Tính toán lượng mưa hiệu quả

Việc tính toán lượng mưa hiệu quả được thực hiện bằng phương pháp khấu trừ tổn thất do thấm, điền trũng, bốc hơi từ bề mặt đất, điền trũng, và do thấm

Lượng mưa : được đưa vào mô hình bằng giá trị lượng mưa hoặc cường độ mưa

theo thời đoạn

Lượng bốc hơi bề mặt : lượng bốc hơi bề mặt được người sử dụng nhập vào mô

hình, có thể được tính theo phương pháp sau:

- Phương pháp cân bằng năng lượng:

27,17exp

Trong đó: E a : Lượng bốc hơi (mm/ngày)

u : Tốc độ gió (m/s) đo tại chiều cao z (cm)

z 0 : Chiều cao mẫu nhám (cm)

R h : Độ ẩm tương đối (%).

Lượng trữ bề mặt : là lượng nước bị tích tụ lại khi dòng chảy di chuyển qua

vùng có địa hình âm như ao, hồ, chỗ trũng trên mặt đường… Lượng trữ bề mặt rất khó xác định do tính phức tạp của lưu vực đô thị, do vậy thành phần này thường được đánh giá qua điều tra và sau đó hiệu chỉnh qua mô hình

2.Tính toán thấm, lượng thấm:

Thấm là quá trình có tính quyết định với vai trò là đại lượng vào cho hệ thống đất thoáng khí Ý nghĩa quan trọng của quá trình thấm trong các quá trình động lực của quá trình trao đổi nước trong đất là phân chia lượng mưa thành nước bề mặt và nước trong đất do ảnh hưởng đến quá trình thủy văn, đặc biệt sự hình thành dòng chảy trên lưu vực Để tính toán dòng chảy đạt độ chính xác và phù hợp với các quy luật vật lý,

đã có nhiều mô hình thấm được xây dựng Trong mô hình SWMM có 2 phương pháp

để lựa chọn:

¾ Phương pháp mô hình thấm HORTON (1940) : là mô hình thấm 1 giai đoạn

Horton nhận xét rằng quá trình thấm bắt đầu từ một tốc độ thấm f không đổi nào đó, sau đó giảm dần theo quan hệ số mũ cho đến khi đạt tới một giá trị không đổi f Mô hình thấm Horton được áp dụng cho để tính cho trận mưa 1 đỉnh và dạng đường cong mưa biến đổi không lớn

0

∞

e f f f

f p = 0 +( 0 − ∞) -kt (2.4)

Trong đó: f p (mm/s): Cường độ thấm vào đất

f ∞ (mm/s): Cường độ thấm nhỏ nhất tại thời điểm bão hòa

f 0 (mm/s): Cường độ thấm lớn nhất tại thời điểm ban đầu t=0

t (s) : Thời gian tính từ lúc bắt đầu trận mưa rơi

k (T -1 ): Hằng số chiết giảm

Các thông số f∞, f0, k hoàn toàn xác định đường cong thấm fp và được người sử dụng đưa vào tính toán

¾ Phương pháp mô hình thấm Green-Ampt (1911) : xây dựng dựa trên phương

trình thấm Darcy Mein - Lason (1973) đã cải tiến phương pháp này để tính toán quá trình thấm theo hai giai đoạn: giai đoạn bão hoà và giai đoạn sau bão hoà Trong giai đoạn bão hòa, đường cong cường độ thấm là đường quá trình mưa thực do lượng mưa trong giai đọan này chỉ tham gia vào quá trình thấm Trong giai đoạn sau bão hòa, lớp đất bề mặt đã bão hòa nước, đường cong thấm giảm theo quy luật thấm trọng lực

Phương trình thấm Green-Ampt được viết dưới dạng:

V = K.J (2.5)

Trong đó: V: Cường độ thấm vào đất (mm/s)

K: Hệ số thấm thuỷ lực bão hoà (mm/s)

IDM S

với i> Ks; và f = i

• Khi F ≥Fs thì f = f p và fp=Ks (1+

F

IDM S.

)

Trong đó: f: Cường độ thấm vào đất (mm/s)

f p : Cường độ thấm tiềm năng (mm/s)

i: Cường độ mưa (mm/s)

F: Lượng thấm tích luỹ (mm)

F s : Cường độ thấm tích luỹ đến trạng thái bão hoà (mm)

S: Sức hút mao dẫn trung bình (mm)

IDM: Độ thiếu hụt ẩm ban đầu

Ks: Hệ số thấm thuỷ lực bão hoà (mm/s)

Theo EULER (1989) lượng bốc hơi ngày được tính theo công thức

VP(mm)=1,58 +(0,96+0,0033i)sin{2π/365(i-148)] (2.6)

Trong đó i: Ngày tính theo nămthủy văn

i=1 Ngày 1 tháng 1

i=365 Ngày 31 tháng 10 năm sau

VP : Lượng bốc hơi ngày thứ i

Lượng trữ bề mặt rất khó xác định do tính phức tạp của lưu vực đô thị, do vậy thành phần này thường được đánh giá qua điều tra và sau đó hiệu chỉnh qua mô hình

dd A dt

dV = = * − (2.7)

Trong đó: V : Thể tích nước trên bề mặt lưu vực

d : Chiều sâu lớp dòng chảy mặt

t : Thời gian

A : Diện tích lưu vực bộ phận

i* : Cường độ mưa hiệu quả= cường độ mưa rơi trừ đi tổn thất và bốc hơi bề mặt

Q : Lưu lượng dòng chảy ra khỏi lưu vực đang xét

- Phương trình động lực: Phương trình Manning :

1(d dp)5 / 3S1 / 2

n W

Trong đó: W : Chiều rộng trung bình lưu vực (m)

n: Hệ số nhám Manning

IV Cấu tạo mạng lưới thoát nước trong SWMM

SWMM dùng tập hợp các nút ( node ) các đoạn ống nối với các nút, hồ điều hòa, cửa xả, bơm… Để mô tả hệ thống mạng lưới thoát nước

Cấu tạo mạng lưới hệ thống thoát nước bao gồm các thành phần :

Subcatchment( lưu vực), Raingage(trạm mưa), Junction(nút),Storage Units( hồ điều hòa),Conduits(đường ống), Pumps(bơm), Regulatiors(van điều khiển hay van một chiều ), Outfalls(cửa xả), mối liên hệ của từng bộ phân được thể hiện trong sơ đồ sau

đây

Hình 2: Sơ đồ mô phỏng mạng lưới thoát nước trong SWMM

V Giao diện làm việc của mô hình SWMM

Hình 3: Sơ đồ mô phỏng mạng lưới chạy với SWMM

PHẦN IV : ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWMM TÍNH TIÊU THOÁT NƯỚC CHO KHU TÁI ĐỊNH CƯ XÃ VĨNH

LỘC B – HUYỆN BÌNH CHÁNH – THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

I Tổng quan về khu vực thiết kế :

1 Điều kiện tự nhiên :

¾ Vị trí – ranh giới – diện tích :

Vị trí giới hạn khu đất như sau :

o Phía Đông Bắc giáp đường Nguyễn Văn Linh

o Phía Nam giáp rạch Chổm

o Phía Đông giáp rạch Bà Lớn

o Phía Tây giáp khu dân cư 13E Diện tích trong ranh cắm đất là 279.269km²

¾ Khí hậu – thuỷ văn – địa chất :

o Khí hậu : nằm trong khu vực có khí hậu nhiệt đới gió mùa, cận xích đạo, trong năm có hai mùa rõ rệt : mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11, mùa khô từ tháng

2 Hiện trạng chuẩn bị kỹ thuật và thoát nước mưa:

Hiện trạng xây dựng khá dày đặc, cao độ nền và độ dốc nền nhỏ vì vậy việc thoát nước có nhiều hạn chế (cao độ đáy cống bị mực nước triều khống chế)

Nhìn một cách tổng thể, trên toàn Khu vực chưa có hệ thống thoát nước mặt hoàn chỉnh Cống qua đường: Khu vực hiện có khoảng hơn 40 cống qua đường với các loại kết cấu bao gồm cống ngầm, có kích thước từ (Φ1000-Φ1500) và cống bản có kích thước từ (1200 x2600)mm đến (3000-2500)mm, chất lượng cống còn tương đối tốt, tuy nhiên nhiều cống đã bị tắc (do dòng chảy lũ mang theo nhiều bùn, cát và ý thức của người dân chưa cao)

Các khu vực thường bị ngập úng: Tập trung chủ yếu tại xã Vĩnh lộc B

Đánh giá hiện trạng:

Trong mùa mưa lũ hiện tượng ngập úng vẫn thường xuyên xảy ra trong địa bàn thị xã, đặc biệt là khu vực do những nguyên nhân chính như sau:

o Mạng lưới thoát nước hiện có chưa đầy đủ và hoàn chỉnh

o Các cống đã xây dựng chưa làm việc hết công suất tính toán

o Dòng chảy bị lấn chiếm do tình trạng xây dựng thiếu quản lý (công trình xây dựng trên lòng kênh, mương, các đìa tôm lấn chiếm dòng chảy sông

o Hệ thống kênh mương, các trục tiêu chính không được nạo vét trước mùa mưa lũ, cửa sông bị bồi lắng nên dòng chảy lũ không kịp thoát đã dềnh lên và tràn vào các khu vực ven sông (đặc biệt là vào thời điểm lũ

gặp triều cường)

3 Hiện trạng thoát nước bẩn và vệ sinh môi trường:

Hiện tại khu vực chưa có hệ thống thoát nước bẩn hoàn chỉnh Nước thải tự thấm xuống đất hoặc tự chảy ra sông, suối, chỗ trũng một cách tùy tiện Nước thải sinh hoạt mới được xử lý cục bộ trong từng hộ gia đình, song chỉ chiếm một tỷ lệ rất nhỏ

Hệ thống thoát nước bẩn khu vực Vĩnh Lộc B hiện nay chưa có vì vậy nước trong các kênh rạch và các đoạn sông, hồ biển trong khu vực đã bị ô nhiễm Hiện nay chưa có các mẫu xét nghiệm của các nguồn nước song theo quan sát thì nước trong các kênh rạch rất đen và hôi thối Để cải thiện môi trường, đảm bảo sức khoẻ cho nhân dân

và cảnh quan đô thị cần phải xây dựng hệ thống thoát nước bẩn hoàn chỉnh và hiện đại

II Mô phỏng mạng lưới thoát nước bằng mô hình trong SWMM

1 Các thông số đầu vào

a Lưu lượng nước thải

Lưu lượng nước thải chảy vào đoạn ống tính toán bao gồm nước thải sinh hoạt, nước thải từ các xí nghiệp công nghiệp, các công trình công cộng, dựa vào công thức tính toán lưu lượng đã trình bày ở trên ta có lưu lượng nước thải chảy vào từng đoạn ống như sau :

Đoạn ống

Chiều dài (m)

Lưu lượng (l/s)

1 - 2 134.80 14.132-3 183.50 6.773-4 134.60 2.704-5 92.00 1.745-6 122.70 2.136-7 154.30 2.358-9 126.20 35.179-10 122.50 5.4210-11 202.60 6.6011-12 125.40 2.8812-13 145.50 3.13

Bảng 1: Chiều dài, lưu lượng trong các đoạn ống b.Lưu lượng nước mưa

Vì đây là vùng đô thị nên tần suất được chọn dùng để tính toán mưa là 90%, từ chuỗi số liệu mưa giờ nhiều năm, ta lập bảng tính mưa ngày lớn nhất tương ứng với một năm Sau đó vẽ đường tần suất ứng với chuỗi số liệu mưa của nhiều năm

Hình 4: Đường tần suất mưa ngày ứng với tần suất 90%

Ứng với lượng mưa có tần suất là 90 % = 221.08 mm ta có được năm điển hình

là : năm 1997 với X= 247.3 mm

Với năm 1997 cĩ lượng mưa là X = 247.3 mm, từ đĩ ta cĩ được lượng mưa ngày lớn nhất là ngày 25/09/1997, trong đề tài này lượng mưa sử dụng tính tốn tiêu thốt nước là mưa trong 3 giờ lớn nhất ( ứng với khoảng thời gian từ 16h đến 18h với lượng mưa tương ứng là 10 – 35 và 15 mm/h)

2 Các bước thực hiện mơ phỏng một Project :

¾ Khai báo các thơng số mặc định và các tùy chọn

¾ Vẽ sơ đồ lưu lượng và mạng lưới cơng trình thốt nước

¾ Khai báo các thơng số của hệ thống

¾ Chạy mơ phỏng

¾ Xem xét kết quả

¾ Hiệu chỉnh thơng số đầu vào và mơ phỏng lại (nếu cần)

a.Khai báo các thơng số mặc định và các tùy chọn (Project/Defaults):

o Khai báo các ký hiệu cho từng đối tượng

ỈTrạm đo mưa

Ỉ Tiểu lưu vực

Ỉ Nút

Ỉ Cửa xả

Ỉ Cửa chia nước

Ỉ Vùng trữ tạm nước

Ỉ Ống dẫn ( kênh, ống, sông )

o Khai báo các giá trị mặc định cho tiểu lưu vực

Hình 6: Khai báo các giá trị mặc định cho tiểu lưu vực

o Khai báo các giá trị mặc định cho nút, đường dẫn

Ỉ Diện tích lưu vực ( ha)

Ỉ Bề rộng lưu vực ( m)

Ỉ Độ dốc trung bình

Ỉ % tỷ lệ diện tích không thấm

Ỉ Hệ số nhám Maning của phần không

thấm & vùng thấm

Ỉ Lượng nước trữ lại trên vùng không

thấm

Ỉ Lượng nước trữ lại trên vùng thấm

Ỉ Phần hoàn toàn không thấm

Ỉ Giá trị cho nút

Ỉ Chiều sâu max của nút

Ỉ Chiều dài conduit (m)

Ỉ Loại Conduit

Ỉ Hệ số nhám của Conduit

Ỉ Đơn vị tính ( CMS – m 3 /s )

Ỉ Phương pháp tính : Dynamic Wave

cho dòng chảy không ổn định

Hình 7: Khai báo các giá trị mặc định cho nút, đường dẫn

o Khai báo Map Option ( View / Map Options )

Khai báo ký hiệu tiểu lưu vực Ỉ Khai báo biểu tượng nút Ỉ Ký hiệu biểu tượng đường ống Ỉ

Ký hiệu nhãn Ỉ Thể hiện các giá trị trên màn hình Ỉ

Thể hiện ký hiệu ống Ỉ

Loại mũi tên Ỉ Màu nền Ỉ

Hình 8: Khai báo các giá trị mặc định cho Map Option

b Vẽ sơ đồ lưu vực và mạng lưới cơng trình thốt nước

lại đơ thị theo mặt bằng trên

Hình 9: Trình tự vẽ sơ đồ lưc vực

Có thể nhập 1 sơ đồ dạng File hay tạo sơ đồ biểu diễn ( trong đề tài này là tạo

sơ đồ biểu diễn hoàn toàn mới )

Để xóa File mặt bằng đô thị vừa dẫn ta vào View Æ Back drop ÆUnload

Dùng các biểu tượng của lưu vực, cống, nút… Mô phỏng mặt bằng khu vực

Do đặc điểm khu vực ở phía bắc có 1 con kênh dùng để dẫn nước thải nên dựa vào đặc điểm này ta vạch hai tuyến thoát nước chính thu toàn bộ nước thải và nước mưa của lưu vực sau đó thải ra kênh, nhằm tận dụng khả năng tự làm sạch của hồ và điều tiết lưu lượng nước thải trong khu vực trước khi thải ra kênh thì nức thải sẽ dược dẫn vào hồ điều tiết

Hình 10: Sơ đồ mô phỏng mạng lưới thoát nước trong mô hình SWMM

c Khai báo các thông số của hệ thống

c.1 Khai báo đối tượng tiểu lưu vực – Subcatchments

Lưu vực con là 1 khu vực hứng nước nhỏ trong lưu vực đô thị trong đó dòng chảy hình thành trong khu vực này đều chảy ra 1 điểm nào đó gọi là cửa

ra của lưu vực Người sử dụng phải chia khu vực nghiên cứu thành các khu vực con nhỏ cho phù hợp và xác định cửa ra của từng lưu vực Lưu vực con có thẻ bao gồm các khu vực thấm nước hoặc không thấm nước

Qúa trình thấm trong lưu vực con xuống tầng chưa bão hịa được mơ phỏng bằng 1 trong 3 mơ hình thấm khác nhau :Horton infiltration, Green-Ampt infiltration, SCS Curve number infiltration (trong đề tài này chọn mơ hình thấn Horton).

Bảng thống kê diện tích lưu vực (ha)

Lưu vực 1 1.60 Lưu vực 10 1.61 Lưu vực 2 1.27 Lưu vực 11 1.36 Lưu vực 3 0.83 Lưu vực 12 0.75 Lưu vực 4 1.10 Lưu vực 13 0.71 Lưu vực 5 1.02 Lưu vực 14 1.08 Lưu vực 6 1.55 Lưu vực 15 1.19 Lưu vực 7 1.89 Lưu vực 16 0.82 Lưu vực 8 1.37 Lưu vực 17 0.77 Lưu vực 9 0.88

Bảng 2 : Diện tích các lưc vực

Vì đây là khu đơ thị mới được trải nhựa ở tất cả các con đường nên diện tích vùng thấm gần như chủ yếu trong các nhà dân do đĩ ta chọn diên tích này bằng 25% diện tích tồn bộ lưu vực, việc phân chia lưu vực dựa vào mặt bằng

và cao trình mặt đất

Ỉ Trạm mưa phụ trách

Ỉ Nút nhận nuớc

Ỉ Diện tích lưu vực ( ha)

Ỉ Chiều rộng chảy tràn (m)

Ỉ Độ dốc mặt đất ( %)

Ỉ Tỷ lệ diện tích không thấm

Ỉ Hệ số nhám Maning của vùng không

thấm & vùng thấm

Ỉ Lớp nước trữ trên vùng không thấm

& vùng thấm ( mm)

Ỉ Tỷ lệ diện tích hoàn toàn không trữ (%)

Ỉ Kiểu tràn

Ỉ Tỷ lệ tham gia tràn

Ỉ Phương trình thấm ( Horton , Grenn-Apt)

Hình 11:Giao diện nhập số liệu cho lưu vực

c.2 Khai báo thông số đo mưa - Rain Gages

Đối với những lưu vực rộng lớn thì sử dụng nhiều cơn mưa khác nhau ở đây khu vực tính toán trong đề tài là khu vực nhỏ ( 31 ha ) nên chỉ cần lấy một cơn mưa cho toàn lưu vực Số liệu của mưa thiết kế được lấy từ trạm đo Tân Sơn Nhất là trạm đo mưa tương đối nằm gần quận Bình Chánh

SWMM cho phép vào số liệu mưa cho 1 hoặc nhiều lưu vực con trong khu vực nghiên cứu.Số liệu mưa được đưa vào dưới dạng chuỗi số hoặc có thể dưới dạng File

Hình 12: Giao diện khai báo thông số đo mưa

Các thông số chính của dữ liệu mưa :

o Tên trận mưa (Name)

o Kiểu mưa (Rain Format): bao gồm mưa thời đoạn, mưa thể tích, mưa tích lũy Trong đề tài sử dụng số liệu mưa theo giờ ( Intensity – mm/h)

o Khoảng thời gian mưa (Rain Interval): là đoạn thời gian giữa các lần ghi giá trị đo mưa

o Số liệu của trận mưa (Data sourse – Timeseries)