Nghiên cứu mô hình tổng hợp quản lý lưu lượng và chất lượng nước mưa cho khu vực đang diễn ra quá trình đô thị hóa áp dụng cho khu vực bắc maclean, thành phố logan, bang queensland, australia

L IC M N Lu n v n th c s k thu t “Nghiên c u mô hình t ng h p qu n lý l u l l ng n ng ch t c m a cho khu v c di n trình đô th hóa: Áp d ng cho khu v c B c MacLean, thành ph Logan, bang Queensland, Australia” đ c hoàn thành v i s giúp đ t n tình c a th y cô giáo Khoa K Thu t Tài Nguyên N TS c, đ c bi t th y giáo h ng d n Nhân tác gi g i l i bi t n sâu s c đ n ng Minh H i tr c ti p h ng d n, th y cô Khoa giúp đ nhi t tình, cung c p nh ng tài li u quý cho tác gi hoàn thành Lu n v n th c s Tác gi xin c m n lãnh đ o đ ng nghi p t i Công ty TNHH K thu t tài nguyên n c AQUATIC Vi t Nam, Công ty T v n K thu t Burchills Engineering Solution, Australia t n tình giúp đ , h ng d n t o u ki n t t nh t cho tác gi trình h c t p làm lu n v n Nhân xin bày t lòng bi t n đ n gia đình h t lòng ch m lo v v t ch t tinh th n t t nh t đ yên tâm h c t p Tôi c ng g i c m n t i t t c nh ng ng i b n t p th l p CH19Q1 giúp nhi u trình h c t p rèn luy n Tr ng H Thu l i Hà N i, tháng n m 2015 Tác gi lu n v n Ph m Th Tuy t C NG HÒA XÃ H I CH NGH A VI T NAM CL P–T DO – H NH PHÚC B N CAM K T Kính g i: - Ban Giám hi u tr ng i h c Thu l i - Phòng t o H Sau H tr ng i h c Thu l i Tên là: Ph m Th Tuy t H c viên cao h c l p: 19Q11 Chuyên ngành: K thu t tài nguyên n c Mã h c viên: 118606230028 Theo Quy t đ nh s 139/Q - HTL c a Hi u tr vi c giao đ tài lu n v n ng ng tr ng i h c Thu L i v ih ng d n cho h c viên cao h c đ t n m 2015 Ngày 02 tháng 02 n m 2015 đ c nh n đ tài: “Nghiên c u mô hình t ng h p qu n lý l u l ng ch t l ng n c m a cho khu v c di n trình đô th hóa: Áp d ng cho khu v c B c MacLean, thành ph Logan, bang Queensland, Australia” d is h ng d n c a Ti n s ng Minh H i Tôi xin cam đoan lu n v n k t qu nghiên c u c a riêng tôi, không chép c a N i dung lu n v n có tham kh o s d ng tài li u, thông tin đ c đ ng t i tài li u trang web theo danh m c tài li u tham kh o c a lu n v n Hà N i, tháng n m 2015 Tác gi lu n v n Ph m Th Tuy t M CL C PH N M U CH T NG QUAN NG 1.1 T ng quan v v n đ nghiên c u .5 1.2 T ng quan v nghiên c u th c hi n 1.2.1 Các nghiên c u n c 1.2.2 Các nghiên c u Vi t Nam .12 CH NG C S LÝ THUY T VÀ C S D LI U .16 2.1 Mô hình qu n lý n c m a XP – SWMM .16 2.1.1 C s lý thuy t mô hình XP-SWMM 16 2.1.2 C s d li u mô hình XP-SWMM 20 2.2 Mô hình qu n lý ch t l ng n c đô th -MUSIC 25 2.2.1 C s lý thuy t mô hình MUSIC 26 2.2.2 C s d li u mô hình MUSIC 28 2.2.3 Mô hình t ng h p qu n lý n c m a 30 CH NG NG D NG MÔ HÌNH T NG H P TRONG QU N LÝ L UL NG N C VÀ CH T L NG N C M A CHO KHU V C NGHIÊN C U VÙNG B C MACLEAN, THÀNH PH LOGAN, BANG QUEENSLAND, AUSTRALIA .35 3.1 T ng quan v vùng nghiên c u 35 3.1.1 c m vùng nghiên c u 35 3.1.2 M c tiêu c a nghiên c u 39 3.2 Xây d ng ng d ng mô hình XP – SWMM qu n lý l u l ng n c m a khu v c nghiên c u 39 3.2.1 Các b c thi t l p mô hình XP-SWMM 39 3.2.2 Xây d ng mô hình XP – SWMM cho khu v c nghiên c u .41 3.2.3 Phân tích s nh h ng c a trình đô th hóa t i khu nghiên c u đ n l u l ng dòng ch y t i c a x c a khu nghiên c u 63 3.2.4 xu t ph ng án tiêu thoát n c qu n lý l u l ng n c m a .65 3.2.5 ng d ng mô hình XP-SWMM tính toán thi t k b tr n c t i ch (OSD) u ti t l u l ng n c m a khu v c đô th hóa 69 3.2.6 K t qu mô hình XPSWMM - ánh giá hi u qu c a b tr t i ch 75 3.3 Xây d ng ng d ng mô hình MUSIC qu n lý ch t l ng n c m a khu v c nghiên c u 78 3.3.1 Các b c thi t l p mô hình MUSIC 78 3.3.2 Xây d ng hình MUSIC 79 3.3.3 Phân tích s nh h ng c a trình đô th hóa khu nghiên c u đ n ch t l ng n c h l u khu nghiên c u 90 3.3.4 Gi i thi u h th ng x lý n c m a d ki n t i khu v c nghiên c u 91 3.3.5 ng d ng mô hình MUSIC tính toán thi t k h th ng công trình x lý ch t l ng n c 93 3.3.6 ánh giá kh n ng ho t đ ng c a h th ng công trình x lý ch t l ng n c 95 3.3.7 Ch ng trình giám sát h th ng công trình giai đo n v n hành .98 3.4 K t lu n 99 CH NG K T LU N VÀ KI N NGH 101 TÀI LI U THAM KH O 105 DANH M C B NG B ng 2.1 T n su t thi t k cho h th ng th ng tiêu thoát nh 24 B ng 2.2 T n su t thi t k cho h th ng th ng tiêu thoát l n 24 B ng 2.3 Thông s m a dòng ch y đ c ki n ngh s d ng MUSIC 29 B ng 2.4 Thông s tính toán ch t ô nhi m đ c ki n ngh s d ng MUSIC 30 B ng 2.5 T ng h p m c tiêu thi t k ch t l ng n c m a giai đo n v n hành 31 B ng 3.1 T n su t thi t k h th ng th ng tiêu thoát cho b tr 41 B ng 3.2 C ng đ m a thi t k (mm/gi ) 42 B ng 3.3 T ng l ng m a (mm) 43 B ng 3.4 Phân b m a ng v i tr n m a thi t k 43 B ng 3.5 Phân chia l u v c (ph ng án hi n tr ng) 51 B ng 3.6 Phân chia l u v c (ph ng án ô th hóa) 53 B ng 3.7 Th i gian t p trung n B ng 3.8 Tính toán l u l c (ph ng án hi n tr ng) .56 ng l theo ph ng pháp thích h p (ph ng án hi n tr ng) 57 B ng 3.9 Th i gian t p trung n B ng 3.10 Tính toán l u l c (ph ng án ô th hóa) 58 ng l theo ph ng pháp thích h p (ph ng án ô th hóa) 59 B ng 3.11 H s th m ban đ u th m n đ nh .60 B ng 3.12 Các thông s l u v c cho ph ng án hi n tr ng .60 B ng 3.13 Các thông s l u v c cho ph ng án ô th hóa 60 B ng 3.14 L u l ng dòng ch y t mô hình XP-SWMM (ph ng án hi n tr ng) 61 B ng 3.15 L u l ng dòng ch y t mô hình XP-SWMM (ph ng án ô th hóa) 62 B ng 3.16 So sánh giá tr đ nh l tính toán .63 B ng 3.17 So sánh dòng ch y t i m x LPD A 64 B ng 3.18 So sánh dòng ch y t i m x LPD B 64 B ng 3.19 Quan h di n tích đ sâu tính toán cho h th ng OSD .71 B ng 3.20 C u t o c a thoát n c c a công trình u ti t OSD 72 B ng 3.21 So sánh l u l ng đ nh l gi a hai 75 B ng 3.22 sâu b u ti t ng v i l Q100 n m (1% AEP) .77 B ng 3.23 sâu b u ti t ng v i l thi t k 20 n m (5% AEP) .77 B ng 3.24 K t qu phân tích ph B ng 3.25 S li u khí t ng án r i ro cao ng v i l Q 100 (1% AEP) .77 ng tr m m a 80 B ng 3.26 Phân chia l u v c mô hình MUSIC .81 B ng 3.27 Thông s tính toán m a – dòng ch y .83 B ng 3.28 Thông s tính toán ch t ô nhi m sinh t khu đô th hóa .84 B ng 3.29 K t qu tính toán ch t ô nhi m kh i l u v c 85 B ng 3.30 Tính toán công trình l ng đ ng bùn cát h t thô .94 B ng 3.31 Thông s thi t k c a h th ng x lý n B ng 3.32 Hi u qu c a h th ng x lý ch t l c sinh hóa Bio-retention 94 ng n c đ xu t 96 DANH M C HÌNH Hình 2.1 Phân chia di n tích tính toán ph Hình 2.2 Quá trình m a - dòng ch y theo ph ng pháp Laurenson 18 ng pháp Laurenson .18 Hình 2.3 Các tr m đo m a ngày tr m đo m a liên t c đ vi c c tính c c s d ng ng đ m a thi t k (www.bom.gov.au) 21 Hình 2.4 Phân vùng cho bi u đ phân b m a lãnh th Australia 23 Hình 2.5 Mô hình m a dòng ch y đ c s d ng MUSIC 27 Hình 2.6 Mô hình t ng h p qu n lý t ng h p n c m a đô th theo ph ng pháp WSUD .33 Hình 2.7 S đ kh i tính toán mô hình XP – SWMM MUSIC 34 Hình 3.1 V trí đ a lý khu v c nghiên c u 35 Hình 3.2 Hi n tr ng s d ng đ t khu v c nghiên c u 36 Hình 3.3 M t b ng khu nghiên c u ph ng án ô th hóa .38 Hình 3.4 Bi u đ phân b m a ng v i tr n m a thi t k có kho ng th i gian l p l i nh h n 30 n m 48 Hình 3.5 Bi u đ phân b m a ng v i tr n m a thi t k có kho ng th i gian l p l i l n h n 30 n m .49 Hình 3.6 D li u m a mô hình XP-SWMM 50 Hình 3.7 Phân chia l u v c ph ng án hi n tr ng 52 Hình 3.8 Phân chia l u v c ph ng án ô th hóa 54 Hình 3.9 L u l ng ng v i kho ng l p l i 100 n m (1%) cho l u v c hi n tr ng t mô hình XPSWMM .61 Hình 3.10 L u l ng ng v i kho ng l p l i 100 n m (1%) cho l u v c ô th hóa t mô hình XP-SWMM 62 Hình 3.11 Thông s thi t k kênh d n n c theo công th c Mannings 66 Hình 3.12 M t c t n hình c a công trình phân tán dòng ch y .67 Hình 3.13 M t c t n hình c a h th ng tiêu thoát n c khu v c nghiên c u 68 Hình 3.14 h th ng k t h p b tr t i ch v i h th ng l c sinh hóa .70 Hình 3.15 ng quan h di n tích đ sâu c a b tr mô ph ng XP-SWMM 71 Hình 3.16 H th ng thoát n Hình 3.17 H th ng qu n lý n c kh i b tr mô hình XP-SWMM 72 c m a đ xu t cho khu nghiên c u 73 Hình 3.18 M t c t thi t k h th ng qu n lý n c m a cho khu nghiên c u 74 Hình 3.19 Bi u đ so sánh gi a dòng ch y đ nh l ph ng v i Q100 n m cho hai ng án hi n tr ng d (đã u ti t) 76 Hình 3.20 Bi u đ khí t ng t ghi th i đo n phút s d ng mô hình MUSIC 80 Hình 3.21 Phân chia l u v c cho tính toán ch t l Hình 3.22 Hàm l ng n c MUSIC 82 ng ô nhi m tính t mô hình MUSIC 86 Hình 3.23 Bi u đ so sánh giá tr trung bình n m c a TSS b ng mô hình MUSIC k t qu tính toán b ng mô hình Colobus b i EMSS (ngu n CRCCH, 2002) 87 Hình 3.24 Bi u đ so sánh giá tr trung bình n m c a TP b ng mô hình MUSIC k t qu tính toán b ng mô hình Colobus b i EMSS (ngu n CRCCH, 2002) 88 Hình 3.25 Bi u đ so sánh giá tr trung bình n m c a TN b ng mô hình MUSIC k t qu tính toán b ng mô hình Colobus b i EMSS (ngu n CRCCH, 2002) 89 Hình 3.26 S đ h th ng x lý n c m a đ xu t 91 Hình 3.27 M t c t n hình c a h th ng l c n c sinh hóa 92 Hình 3.28 H th ng x lý n c sinh hóa mô ph ng mô hình MUSIC 95 Hình 3.29 H th ng x lý n c m a k t qu mô hình MUSIC 97 DANH M C T VI T T T AEP T n su t n m v AHD M c th y chu n c a Australia (Australian Height Datum) ARI Kho ng th i gian l p l i trung bình (đ l p l i) (Average Recurrence Interval) ARR Phân ph i m a – dòng ch y c a Australia (Australian Rainfall Runoff) BS H th ng l c n CL H s th m n đ nh (Continuing Loss) CSF Công trình l ng đ ng bùn cát h t thô(Coarse Sediment Forebays) EXT L u v c bên đ vào khu Nghiên c u(External Catchment) IFD S li u c IL H s th m ban đ u (Initial Loss) LPD MUSIC OSD QUDM QWQG t (Annual Exceedance Probability) c sinh hóa (Bio-Retention System) ng đ m a thi t k (Intensity Frequency Duration) i mx n c cho phép c a thành ph (Lawfull/Legal point of discharge) Mô hình Qu n lý ch t l ng n c đô th MUSIC (Model for Urban Stormwater Improvement Conceptualisation) B tr n H c t i ch (On-site Detention) ng d n thi t k h th ng tiêu thoát đô th Queensland (Queensland Urban Drainage Manual) H ng d n qu n lý ch t l ng n c đô th Queensland (Queensland Water Quality Guidelines) RL Cao trình sau đào l y theo cao trình chu n (Reduced Level) SIT Th i gian t p trung n TSS Hàm l TP T ng ph t TN T ng Nit WSUD Thi t k đô th nh y c m v n XP- Mô hình Qu n lý n SWMM c đ n c a vào tiêu chu n (Standard Inlet Time) ng ch t l l ng c (Water Sensitive Urban Design) c m a XP – SWMM (Stormwater Management Model) PH N M TÍNH C P THI T C A U TÀI ô th hóa trình t t y u phát tri n kinh t - xã h i, xu th tích c c t o nên đ ng l c m i cho n n kinh t c a m i qu c gia Vi t Nam hi n nay, b i c nh đô th hóa nhanh v i s quan tâm ch a m c v v n đ qu n lý, b o v môi tr ng n c quy ho ch xây d ng đô th d n đ n tình tr ng ng p úng c c b ô nhi m ngu n n c m t nghiêm tr ng x y th ng xuyên đô th l n Trên th gi i, vi c mô hình t ng h p đ qu n lý l u l n c m a cho khu v c đô th đ l u v c Tuy nhiên ng ngu n c th c hi n nhi u, đ c bi t quy mô ti u Vi t Nam, thi u s li u nhi u h n ch v kinh t k thu t nên v n đ ch a đ lý n ng ch t l c m a đô th đ c quan tâm m c Nhi u d án đ tài v qu n c th c hi n, nhiên d án đ tài m i đ th c hi n quy mô l n V n đ qu n lý n c c m a cho ti u l u v c, đ c bi t l u v c d ki n di n trình đô th v n đ c p thi t nh m đ m b o trình đô th hóa không làm nh h ng đ n kh n ng tiêu thoát n th ng hi n tr ng đ ng th i không làm nh h ng đ n ch t l nhiên, đ th c hi n nghiên c u v v n đ qu n lý n h i r t nhi u d li u mà hi n qu n lý l u l ng ch t l ng n cc ah c m a Tuy c m a cho ti u l u v c đòi Vi t Nam ch a có Do đó, vi c tri n khai v n đ ng ngu n n c đô th khu v c th gi i (có s li u đ y đ ) nh m rút h c áp d ng cho u ki n c a Vi t Nam h t s c c n thi t Khu v c nghiên c u n m t i s 18, đ ng Trace, B c Maclean, thành ph Logan v i di n tích 3.53 Khu nghiên c u n m ngo i thành thành ph Logan Ph n l n di n tích đ t c a khu nghiên c u hi n t i đ t tr ng, v i b m t đ c b o ph b i b i c Có hai nhà t n t i khu v c nghiên c u Hi n t i, khu v c nghiên c u ch a phát tri n (hình 1) Trong t ng lai, khu v c nghiên c u s 92 b H th ng l c n c sinh hóa – BS (Bio-Retention System) Công trình BS v n hành l c n n c qua t ng l c cát tr c đ h th ng thoát c H th ng lo i b ch t ô nhi m qua m t lo t trình, bao g m: • L ng đ ng bùn cát • L cn t ng tr n c m r ng (Extended Detention Storage); c qua t ng l c; • Quá trình h p thu sinh h c ch t dinh d ng – ch t ô nhi m b i màng sinh h c (màng t o b i vi khu n); • Quá trình h p ph ch t dinh d ng phân h y ch t ô nhi m b i vi sinh v t đ t; • Quá trình h p ph ch t kim lo i dinh d ng b i h t t ng l c cát Hình 3.27 d i cho m t c t n hình c a h th ng l c n c sinh hóa s trình bày c u t o l p l c h th ng (l u ý h th ng đ s d ng giai đo n v n hành, khu đô th hóa đ a vào s d ng) Hình 3.27 M t c t n hình c a h th ng l c n c sinh hóa 93 3.3.5 ng d ng mô hình MUSIC tính toán thi t k h th ng công trình x lý ch t l ng n c a Công trình l ng đ ng bùn cát h t thô CSF (Coarse Sediment Forebays) Công trình l ng đ ng bùn cát h t thô CSF th c t không đ c thi t k t mô hình MUSIC (phiên b n m i nh t c a Mô hình MUSIC ch a tích h p kh n ng mô ph ng h th ng l ng đ ng bùn cát h t thô CSF) Công trình th c ch t m t công trình ph tr c a h th ng x lý n c sinh hóa nh m ng n ch n ph n h t thô xâm nh p làm t c h th ng x lý n vào đ c thi t k d a vào H đô th nh y c m v n c sinh hóa Công trình đ ng d n thi t k k thu t theo ph c thi t k d a ng pháp Thi t k c cho khu v c đông nam Queensland, 2006 Công trình l ng đ ng bùn cát h t thô đ c thi t k theo công th c sau: Vs = Ac R Lo Fc Trong đó: Vs: Th tích yêu c u đ i v i công trình l ng đ ng bùn cát thô (m³); Ac: Di n tích l u v c đ vào công trình l ng đ ng bùn cát thô (m²); Lo: H s v n chuy n bùn cát (m³/ha/n m); Fc: T n su t thu d n (n m) Di n tích c a công trình l ng đ ng bùn cát thô đ c tính nh sau: As = Trong đó: Ds: Chi u sâu c a công trình l ng đ ng bùn cát thô B ng 3.30 trình bày tóm t t tính toán yêu c u c a công trình l ng đ ng bùn cát h t thô 94 B ng 3.30 Tính toán công trình l ng đ ng bùn cát h t thô Tên Di n tích l u v c công trình đóng góp dòng ch y (ha) A 1.70 b H th ng l c n H th ng l c n Q 3tháng L u T cđ l ng l ng dòng (m/s) ch y vào (m³/s) 0.13 0.1 Di n tích khu l ng (m²) 15 Hi u sâu su t b i (m) l ng (%) 0.15 80% c sinh hóa – BS c sinh hóa đ c thi t k s d ng ph n m m MUSIC theo ph ng pháp th sai Các thông s thi t k cho h th ng l c n c sinh hóa bio-retention đ c trình bày B ng 3.31 Hình 3.28 B ng 3.31 Thông s thi t k c a h th ng x lý n c sinh hóa Bio-retention Thông s thi t k Di n tích b m t (m ) Di n tích b l c có đ c tính toán thích h p hay không? (Có / Không / không áp d ng) sâu t ng tr n c m r ng phía b l c (EDD) (m) Di n tích ph n l c (m2) B l c không đ c b c ch ng th m xung quanh (m) Th m th y l c bão hòa (mm/gi ) sâu t ng l c (m) T ng l ng nit ch a b l c (mg/kg) T l ch t h u c b l c (%) Orthophosphate ch a b l c (mg/kg) áy b l c có đ c b c ch ng th m không? (Có/Không) (impermeable liner) Hi u qu lo i b t ng Nit c a th c v t (hi u qu /không hi u qu /không có th c v t) Chi u r ng đ p tràn t (m) Có s d ng đ ng ng thu n c (sau x lý) d i t ng l c không? (Có/ Không) Có kh ng đ nh K C* s d ng giá tr m c đ nh không? (Có/ Không) A 324 Có 0.3 224 Không áp d ng 200 0.5