ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SWMM ĐỂ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC KHU ĐÔ THỊ

Chương 2 : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÔ HÌNH QUẢN LÝ NƯỚC MƯA SWMM (STORM WATER MANAGEMENT MODEL) I, GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SWMM. 1, Giới thiệu mô hình SWMM. SWMM (Storm Water Management Model) ñöôïc xaây döïng ôû hai tröôøng ñaïi hoïc San Phansico vaø Florida (Myõ) do cô quan baûo veä moâi tröôøng Hoa Kyø (EPA) xaây döïng töø naêm 19711999 ñeå moâ phoûng chaát vaø löôïng nöôùc cuûa löu vöïc thoaùt nöôùc ñoâ thò vaø tính toaùn quaù trình chaûy traøn töø moãi löu vöïc boä phaän ñeán cöûa nhaän nöôùc cuûa noù. Mô hình quản lý nước mưa SWMM là một mô hình toán học toàn diện, dùng để mô phỏng khối lượng và tính chất dòng chảy của đô thị do mưa và hệ thống cống thoát nước thải chung. Mọi vấn đề về thủy văn đô thị và chu kỳ chất lượng đều được mô phỏng, bao gồm dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm, vận chuyển qua hệ thống tiêu thoát nước, hồ chưa và khu xử lý. Mô hình SWMM mô phỏng các dạng mưa thực tế trên cơ sở lượng mưa (Biểu đồ quá trình mưa hàng năm) và các số liệu khí tượng ban đầu vào khác cùng với hệ thống mô tả (lưu vực, vận chuyển, hồ chứaxử lý) để dự đoán các trị số chất lượng và khối lượng dòng chảy. Hình 1.1. Các “khối” xử lý của mô hình SWMM Trong sơ đồ trên bao gồm các khối sau: + Khối “dòng chảy” (Runoff block) tính toán dòng chảy mặt và ngầm dựa trên biểu đồ quá trình mưa (hoặc tuyết tan) hàng năm, điều kiện ban đầu về sử dụng đất và địa hình. + Khối “truyền tải” (Transport block) tính toán truyền tải vật chất trong hệ thống nước thải. + Khối “chảy trong hệ thống” (Extran block) diễn toán thủy lực dòng chảy phức tạp trong cống, kênh,.... + Khối ”TrữXử lý” (StrorageTreatment 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 ảnh hưởng của các thiết bị điều khiển dựa trên lưu lượng và chất lượngcác ước toán chi phí cơ bản cũng được thực hiện. + Khối :nhận nước” (Receiving block) Môi trường tiếp nhận. Mục đích ứng dụng mô hình SWMM cho hệ thống thoát nước được triển khai nhằm: • 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 thoải cho những khu vực mới phát triển. • 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. • Cung cấp công cụ quy hoạch để đánh giá việc thực hiện các cống chắn dòng kênh. Những ứng dụng điển hình của SWMM: • Quy hoạch hệ thống thoát nước mưa. • Quy hoạch ngăn tràn cống chung. • Quy hoạch hệ thống thoát nước lũ ở kênh hở. • Quy hoạch cống ngăn lũ. • Quy hoạch hồ chưa phòng lũ. 2, Ứng dụng mô hình SWMM Trong luận văn chỉ ứng dụng 2 module phổ biến hiện nay của mô hình SWMM là module RUNOFF và module EXTRAN. Mô hình RUNOFF mô phỏng quá trình mưadòng chảy ở các tiểu lưu vực riêng biệt trong lưu vực. Các tiểu lưu vực trong phạm vi mô đun RUNOFF tương ứng trực tiếp với các tiểu lưu vực được xác định cho khu đô thị Nam Vinh Tân và cung cấp trực tiếp số liệu đầu vào của dòng chảy cho mô hình EXTRAN. Mô hình EXTRAN mô phỏng hệ thống tiêu thoát nước mương hở và đường ống, bao gồm tất cả các đượng ống thuộc mô hình EXTRAN có kích thước nhỏ hơn bình thường và bị ảnh hưởng bởi thủy triều và dòng chảy ngược do nước dâng. Do đó phân tích thủy lực hoàn chỉnh được cung cấp bởi EXTRAN là cần thiết. a, Module RUNOFF RUNOFF mô phỏng dòng chảy sinh ra trên bề mặt hay dưới bề mặt (dòng thấm) dựa trên biểu đồ mưa, điều kiện về sử dụng đất, tính chất đất và các điều kiện khác. Dòng chảy trong đất hay trong ống đều là dòng chảy tự do. Lưu vực tính toán được phân chia thành các tiểu lưu vực (hay còn gọi là lưu vực bộ phận) căn cứ vào chiều dài của cống thu, hình dạng của lưu vực và mức độ phân nhánh của hệ thống. Mỗi tiểu lưu vực đc mô tả thoe diện tích, độ rộng, hệ số thấm, độ dốc địa hình, các thông số về đất, các hệ số về nhám và khả nawg giữ nước. Mô hình là ứng dụng điển hình của mô hình RUNOFF chho việc quy hoạch dòng chảy vào cống, mà không xem xét tới vấn đề thẩm thấu của nước ngầm vào đường ống, sự hạn chế ở miệng thu, sự tương tác giữa nước ngầmnước mặt hay chất lượng nước. Mô hình RUNOFF được xây dựng dựa trên việc đơn giản hóa hệ phương trình SaintVenant trong đó bỏ qua số hạng động lực lượng trong phương trình động lượng. Mô hình RUNOFF biểu diễn dòng chảy của sóng có biên độ nhỏ nằm trong nước tĩnh. Phương pháp này dùng để diễn toán dòng chảy trong sông không rẽ nhánh và dòng chảy ở biên dưới không chịu tác động của thủy triều hay nước vật. Phương pháp này cũng được sử dụng để tính toán dòng chảy mặt ở lưu vực đô thị có độ dốc không biến đổi đột ngột. b, Module EXTRAN Mô hình EXTRAN là mô hình tính toán dùng để diễn toán dòng chảy chuyển động qua hệ thống cống kín hoặc kênh hở do SHUBINSKI và ROESNER xây dựng lần đầu tiên công bố vào năm 1973 với tên gọi SANFRANCISCO (Lần đầu tiên ứng dụng vào thành phố San Francisco). Năm 1974 Tổ chức Bảo vệ Môi trường Hoa Kì đã xem xét mô hình này và đưa vào mô hình SWMM dưới dạng một khối lấy tên là khối truyền tải rộng (EXtended TRANsport) gọi tắt là khối EXTRAN để phân biệt với khối truyền tải (TRANSPORT block) mà đại học Florida đã xây dựng cho thế hệ SWMM ở thế hệ đầu tiên. Từ đó đến nay, mô hình ngày được hoàn thiện. EXTRAN là một bộ phận quan trọng nhất và thường dùng nhất trong mô hình tổng hợp SWMM để phân tích các đặc tính thủy lực tống hợp của hệ thống thoát nước đô thị. Mô hình này giả hệ phương trình Saint Venant ở dạng đầy đủ và tính toán cho các trường hợp như nước vật, chảy có áp hoặc chảy ngập,...EXTRAN nhận biểu đồ của quá trình dòng chảy tại các nút do người sử dụng đưa vào từ thực đo hoặc từ các mô hình gián tiếp khác hoặc trực tiếp từ quá trình mưa thông qua các file liên hệ với mô hình RUNOFF. Đối với các hệ thống thoát nước EXTRAN mô tả dưới dạng một hệ thống các nút (NodeJunction) và các đường dẫn nước (LinkConduit). Mô hình EXTRAN cũng đòi hỏi các điểm nối tai cả 2 đầu của đường dẫn nước được xác định như là điểm nốinút. Điểm nối của những đoạn kênh và cống vòm kín được xác định như những mặt cắt và hố ga tương ứng. Tóm lại các kết quả đầu ra của RUNOFF trở thành số liệu đầu vào của EXTRAN. II, CƠ SỞ TOÁN HỌC CỦA MÔ HÌNH SWMM

Table of Contents

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHU ĐÔ THỊ VINH TÂN

1.1 Vị trí, hiện trạng khu đất xây dựng

1.1.1 Vị trí

1.1.2 Hiện trạng

1.2 Qui hoạch hệ thống thoát nước mưa

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÔ HÌNH QUẢN LÝ NƯỚC MƯA SWMM (STORM WATER MANAGEMENT MODEL)

2.1 Khái niệm và khả năng ứng dụng của mô hình

2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Khả năng ứng dụng của mô hình 2.2 Cơ sở toán học của mô hình SWMM

2.2.1 Mô hình Runoff

2.2.2 Mô hình Extran

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SWMM ĐỂ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC KHU ĐÔ THỊ PHÍA NAM VINH TÂN

3.1 Kiểm tra khả năng tiêu thoát nước của một tuyến công điển hình

3.1.1 Thông số đầu vào

3.1.2Kết quả tính toán

3.1.3 Đánh giá khả năng tiêu thoát nước của tuyến cống

3.1.4 Biện pháp khắc phục khi tuyến cống gặp sự cố

3.1.5 Bài toán hi có bùn lắng đọng

3.2 Kiểm tra khả năng điều hòa của hồ Vinh Tân và khả năng tiêu thoát nước của hệ thống kênh dẫn, máy bơm sau hồ

3.2.1Thông số đầu vào

3.2.2Kết quả tính toán 3.2.3 Đánh giá khả năng điều hòa của hồ Vinh Tân và khả năng tiêu thoát

3.2.4 Kiểm tra khả năng hoạt động của hệ thống hồ Vinh Tân và hệ thống

kênh dẫn, cống hộp, máy bơm sau hồ khi 1 máy bơm bị hỏng………

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

4.1 Kết luận

4.2 Kiến nghị

TÀI LIỆU THAM KHẢO

MỞ ĐẦU

1 TÊN ĐỀ TÀI:

Ứng dụng phần mềm SWMM (Storm Water Management Model) để

mô phỏng sự làm việc của hệ thống thoát nước khu đô thị phía Nam Vinh Tân.

2 LÝ DO NGHIÊN CỨU:

Dự án Khu đô thị sinh thái Vinh Tân do Tổng Công ty Đầu tư và Phát triển nhà

Hà Nội làm chủ đầu tư là khu đô thị lớn nhất Bắc Trung Bộ, Thành phố Vinh, tỉnhNghệ An Hệ thống thoát nước của khu đô thị này đã được thiết kế, tính toán theophương pháp cường độ giới hạn Tuy nhiên, để đánh giá khả năng tiêu thoát nướccủa hệ thống thoát nước khu đô thị phía Nam Vinh Tân (đặc biệt trong những điềukiện bất lợi) thì cần phải mô phỏng sự làm việc của hệ thống thoát nước trongnhững điều kiện thực tế Vấn đề này chưa được dự án nghiên cứu Vì vậy, đểkhắc phục những tồn tại đó, nhóm nghiên cứu chúng em thực hiện đề tài khoa họcnày

3 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU:

3.1 Mục tiêu nghiên cứu:

Kiểm tra khả năng tiêu thoát nước của hệ thống thoát nước khu đô thị phía NamVinh Tân trong những điều kiện bất lợi.Từ đó, đề ra biện pháp khắc phục khi hệthống thoát nước xảy ra sự cố

3.2 Nhiệm vụ nghiên cứu:

- Tổng quan về hệ thống thoát nước khu đô thị phía Nam Vinh Tân

- Mô phỏng hệ thống thoát nước khu đô thị phía Nam Vinh Tân bằng phần mềmSWMM

- Đánh giá kết quả mô phỏng.Từ đó, đề ra biện pháp khắc phục khi hệ thống thoátnước xảy ra sự cố

4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU:

- Khả năng tiêu thoát nước của hệ thống thoát nước khu đô thị phía Nam VinhTân

5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU:

- Hệ thống thoát nước khu đô thị phía Nam Vinh Tân

6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

- Phân tích đánh giá và tổng hợp số liệu

- Đề xuất phương pháp và tính toán

7 Ý NGHĨA KHOA HỌC, THỰC TIỄN ĐỀ TÀI:

Kết quả nghiên cứu có thể được xem xét ứng dụng tìm ra nguyên nhân và biệnpháp khắc phục khi hệ thống thoát nước mưa khu đô thị phía Nam Vinh Tân gặpsự cố

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHU ĐÔ THỊ VINH TÂN

1.1Vị trí, hi n trạng khu đất xây dựng ện trạng khu đất xây dựng

1.1.1 Vị trí

Căn cứ đồ án QHCT khu chung cư và biệt thự ven hồ Vinh Tân đã được phêduyệt, khu đất nghiên cứu điều chỉnh quy hoạch chi tiết “Khu đô thị sinh thái VinhTân” nằm ở phía Năm TP.Vinh, nằm trong khu vực qui hoạch Nam Vinh Vị trí đấtthuộc xã Vinh Tân và phường Trung Đô, tiếp giáp song Cửa Tiền

Theo qui hoạch chi tiết điều chỉnh tỷ lệ 1/500 đã được UBND tỉnh Nghệ Anphê duyệt, khu đất nghiên cứu lập Dự án có diện tích khoảng 77,18ha được giớihạn bởi:

- Phía Bắc giáp xóm Phúc Lộc và đường Nguyễn Thiếp

- Phía Đông giáp với khu dân cư Phường Trung Đô và đường PhượngHoàng

- Phía Tây giáp với xóm Tân Phượng và đường Lê Mao dự kiến kéo dài

- Phía Nam giáp với đường qui hoạch ven sông Cửa Tiền

Hình 1.1: Vị trí khu đô thị mới Vinh Tân

1.1.2 Hiện trạng

Hiện trạng khu đất đã được đền bù giải phóng mặt bằng, hiện đang tổ chức thicông san nền tổng thể và kè hồ Vinh Tân

Qui hoạch h thống thoát nước mưa ện trạng khu đất xây dựng

Với tình hình thực tế và qui hoạch san nền tiêu thủy cũng như qui hoạch pháttriển các khu vực dân cư trong Quy hoạch đến 2020 Mạng lưới thoát nước mưa đãđược nghiên cứu và đề xuất đầu tư xây dựng trong dự án này đến năm 2020 baotrùm gần 70 ha diện tích và được chia thành các lưu vực thoát nước chính Tại mỗilưu vực nước mưa trên đường theo rãnh dọc đường thu về các hố ga thu nước mưatrực tiếp đổ vào các hố ga, hố thăm và được xả ra hồ Vinh Tân thông qua các cửa

xả thoát nước

- Cửa xả 1: hướng Tây-Bắc của hồ; cao độ: -0.50; D1250

- Của xả 2: hướng Tây-Bắc của hồ; cao độ: -0.50; D1250

- Cửa xả 3: hướng Tây-Nam của hồ; cao độ: -0.50; D1250

- Cửa xả 4: hướng Tây-Nam của hồ; cao độ: -0.50; D1250

- Cửa xả 5: hướng Tây của hồ; cao độ: 0.50; D1000

- Cửa xả 6: hướng Tây của hồ; cao độ: -0.50; D1250

- Cửa xả 7: hướng Đông-Nam của hồ; cao độ: -0.50; D1250

- Cửa xả 8: hướng Đông của hồ; cao độ: -0.40; D1250

- Cửa xả : hướng Đông-Bắc của hồ chính là miệng xả của 2 mương thoátnước Hồng Bàng và mướng thoát nước số 2 của thành phố Vinh:

+ Mương Hồng Bàng: Điểm bắt đày từ hệ thống thoát nước đảo giao thông C9,đến cuối chảy ra khu vực Vinh Tân

+ Mương số 2: Điểm bắt đầu từ đường Nguyễn Sỹ Sách, điểm cuối là trạmbơm tiêu úng phía Nam: đoạn đầu từ đường Nguyễn Sỹ Sách đến cầu Thanh Tra( đường lê Hồng Phong) và đoạn 2 từ cầu Thông đến khu đô thị mới Vinh Tân,được xây dựng mới từ nguồn vốn tài trợ của Cộng hòa Liên Bang Đức ( giai đoạn2) chuẩn bị được bàn giao đưa vào sử dụng Đoạn giữa từ cầu Thanh Tra đến cầucống tròn D150 chạy ven hồ Công viên Trung tâm, đầu nối vào mương hộp kín mớixây dựng Hiện nay đoạn mương từ đường Nguyễn Sỹ Sách đến cầu Thanh Tra docác mương cấp 2 chưa được đấu nối vào nên chưa phát huy hiệu quả thoát nước;đoạn qua hồ Công viên Trung tâm do Công ty CP Trung Long xây dựng nắp đậyđoạn mương vào hồ nên không nạo vét được rác thải ứ động đã lâu ngày

Dịng chảy(Khối Runoff)

Nhận nước(Khối Receiving)

Truyềntải chảy mặt(Khối Transport)

Chảytronghệ thống

(Khối Extran)

Trữ / Xử lý(Khối Storage/Treatment)

Chương 2 : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MƠ HÌNH QUẢN LÝ NƯỚC MƯA SWMM (STORM WATER MANAGEMENT MODEL)

I, GIỚI THIỆU MƠ HÌNH SWMM.

1, Giới thiệu mơ hình SWMM.

SWMM (Storm Water Management Model) được xây dựng ở hai trườngđại học San Phansico và Florida (Mỹ) do cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ(EPA) xây dựng từ năm 1971-1999 để mô phỏng chất và lượng nước của lưu vựcthoát nước đô thị và tính toán quá trình chảy tràn từ mỗi lưu vực bộ phận đếncửa nhận nước của nó

Mơ hình quản lý nước mưa SWMM là một mơ hình toán học tồn diện,dùng để mơ phỏng khới lượng và tính chất dịng chảy của đơ thị do mưa và hệthớng cớng thoát nước thải chung Mọi vấn đề về thủy văn đơ thị và chu kỳ chấtlượng đều được mơ phỏng, bao gồm dịng chảy mặt và dịng chảy ngầm, vậnchuyển qua hệ thớng tiêu thoát nước, hồ chưa 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 sớ liệu khí tượng ban đầu vào khác cùngvới hệ thớng mơ tả (lưu vực, vận chuyển, hồ chứa/xử lý) để dự đoán các trị sớ chấtlượng và khới lượng dịng chảy

Hình 1.1 Các “khối” xử lý của mơ hình SWMM

Trong sơ đồ trên bao gồm các khối sau:

+ Khối “dòng chảy” (Runoff block) tính toán dòng chảy mặt và ngầm dựatrên biểu đồ quá trình mưa (hoặc tuyết tan) hàng năm, điều kiện ban đầu về sửdụng đất và địa hình

+ Khối “truyền tải” (Transport block) tính toán truyền tải vật chất trong hệ thốngnước thải

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

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

+ Khối :nhận nước” (Receiving block) Môi trường tiếp nhận

Mục đích ứng dụng mô hình SWMM cho hệ thống thoát nước được triểnkhai nhằm:

 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 thoải cho những khu vực mới phát triển

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

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

Những ứng dụng điển hình của SWMM:

 Quy hoạch hệ thống thoát nước mưa

 Quy hoạch ngăn tràn cống chung

 Quy hoạch hệ thống thoát nước lũ ở kênh hở

 Quy hoạch cống ngăn lũ

 Quy hoạch hồ chưa phòng lũ

Mô hình EXTRAN mô phỏng hệ thống tiêu thoát nước mương hở và đườngống, bao gồm tất cả các đượng ống thuộc mô hình EXTRAN có kích thước nhỏhơn bình thường và bị ảnh hưởng bởi thủy triều và dòng chảy ngược do nước dâng.

Do đó phân tích thủy lực hoàn chỉnh được cung cấp bởi EXTRAN là cần thiết

a, Module RUNOFF

RUNOFF mô phỏng dòng chảy sinh ra trên bề mặt hay dưới bề mặt (dòngthấm) dựa trên biểu đồ mưa, điều kiện về sử dụng đất, tính chất đất và các điều kiệnkhác Dòng chảy trong đất hay trong ống đều là dòng chảy tự do

Lưu vực tính toán được phân chia thành các tiểu lưu vực (hay còn gọi là lưuvực bộ phận) căn cứ vào chiều dài của cống thu, hình dạng của lưu vực và mức độphân nhánh của hệ thống Mỗi tiểu lưu vực đc mô tả thoe diện tích, độ rộng, hệ sốthấm, độ dốc địa hình, các thông số về đất, các hệ số về nhám và khả nawg giữnước

Mô hình là ứng dụng điển hình của mô hình RUNOFF chho việc quy hoạchdòng chảy vào cống, mà không xem xét tới vấn đề thẩm thấu của nước ngầm vàođường ống, sự hạn chế ở miệng thu, sự tương tác giữa nước ngầm/nước mặt haychất lượng nước

Mô hình RUNOFF được xây dựng dựa trên việc đơn giản hóa hệ phươngtrình Saint-Venant trong đó bỏ qua số hạng động lực lượng trong phương trìnhđộng lượng Mô hình RUNOFF biểu diễn dòng chảy của sóng có biên độ nhỏ nằmtrong nước tĩnh Phương pháp này dùng để diễn toán dòng chảy trong sông không

rẽ nhánh và dòng chảy ở biên dưới không chịu tác động của thủy triều hay nướcvật Phương pháp này cũng được sử dụng để tính toán dòng chảy mặt ở lưu vực đôthị có độ dốc không biến đổi đột ngột

b, Module EXTRAN

Mô hình EXTRAN là mô hình tính toán dùng để diễn toán dòng chảychuyển động qua hệ thống cống kín hoặc kênh hở do SHUBINSKI và ROESNERxây dựng lần đầu tiên công bố vào năm 1973 với tên gọi SANFRANCISCO (Lầnđầu tiên ứng dụng vào thành phố San Francisco) Năm 1974 Tổ chức Bảo vệ Môitrường Hoa Kì đã xem xét mô hình này và đưa vào mô hình SWMM dưới dạng mộtkhối lấy tên là khối truyền tải rộng (EXtended TRANsport) gọi tắt là khốiEXTRAN để phân biệt với khối truyền tải (TRANSPORT block) mà đại họcFlorida đã xây dựng cho thế hệ SWMM ở thế hệ đầu tiên Từ đó đến nay, mô hìnhngày được hoàn thiện EXTRAN là một bộ phận quan trọng nhất và thường dùngnhất trong mô hình tổng hợp SWMM để phân tích các đặc tính thủy lực tống hợp

Mô hình này giả hệ phương trình Saint Venant ở dạng đầy đủ và tính toáncho các trường hợp như nước vật, chảy có áp hoặc chảy ngập, EXTRAN nhậnbiểu đồ của quá trình dòng chảy tại các nút do người sử dụng đưa vào từ thực đohoặc từ các mô hình gián tiếp khác hoặc trực tiếp từ quá trình mưa thông qua cácfile liên hệ với mô hình RUNOFF Đối với các hệ thống thoát nước EXTRAN mô

tả dưới dạng một hệ thống các nút (Node/Junction) và các đường dẫn nước(Link/Conduit)

Mô hình EXTRAN cũng đòi hỏi các điểm nối tai cả 2 đầu của đường dẫnnước được xác định như là điểm nối/nút Điểm nối của những đoạn kênh và cốngvòm kín được xác định như những mặt cắt và hố ga tương ứng

Tóm lại các kết quả đầu ra của RUNOFF trở thành số liệu đầu vào củaEXTRAN

II, CƠ SỞ TOÁN HỌC CỦA MÔ HÌNH SWMM

1, Mô hình RUNOFF

Mô hình RUNOFF thực hiện tính toán dòng chảy mặt theo hai bước:

- Tính toán quá trình mưa hiệu quả

- Tính toán dòng chảy mặt khi xuất hiện lượng mưa hiệu quả

a, Tính toán lượng mưa hiệu quả.

Việc tính toán lượng mưa hiệu quả được thể hiện bằng phương pháp khấutrừ tổn thất do thấm, điền trùng, bôc hơi từ bề mặt đất

Trong đó : PEF : Lượng mưa hiệu quả (mm)

N : Lượng mưa (mm)

P : Lượng bốc hơi bề mặt (mm)

F : Lượng thấm vào trong đất (mm)W(t) : Lượng trữ bề mặt-tổn thất điền trũng (mm)

t : Thời gian

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

mưa theo thời đoan

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

mô hình, có thể tính theo phương pháp sau:

- Phương pháp cân bằng năng lượng:

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

u 2 : Tốc độ gió (m/s)đo tại chiều cao z 2 (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 khóxác định do tính phức tạp của lưu vực đô thị, do vậy thành phần này cần được đánhgiá qua điều tra và sau đó hiệu chỉnh qua mô hình

Tính toán thấm lượng thấm: thám 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 trìnhthấm trong các quá trình động lực của quá trình trao đổi nước trong đất là phân chialưu lượng mưa thành nước bề mặt và nước trong đất do ảnh hưởng đến quá trìnhthủy văn, đặc biệt sự hình thành dòng chảy trong lưu vực Để tính toán dòng chảyđạt độ chính xác và phù hợp với các quy luật vật lý, đã có nhiều mô hình thấmđược xây dựng Trong mô hình SWMM có hai phương pháp lựa chọn:

+ Phương pháp mô hình thấm HORTON (1940): là mô hình thấm một giaiđoạn Horton nhận xét rằng quá trình thấm bắt đầu từ một tốc độ thấm f0 không đổinào đó, sau đó giảm dầm theo quan hệ số mũ 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 dạngđường cong mưa biến đổi không lớn

f o

f

PEF PEF

)( 0 

f p

d d

d

H×nh 2.1: Ph ¬ng tr×nh ® êng cong thÊm Horton

e f f

f

fp  0  ( 0  )

f p= f0+( f0− f∞) e -kt (1.4)Trong đó: fp (mm/s): Cường độ thấm vào đất

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

f0 (mm/s): Cường độ thấm lớn nhất tại thời điểm ban đầu t=0 t(s) : Thời gian tính bắt đầu từ trận mưa rơi

k (T-1) : Hằng số chiết giảm

Các thông số f∞, f0, k không hoàn toàn xác định đường cong thấm f p vàđược người sử dụng đưa vào tính toán

+ Phương pháp mô hình thấm Green-Ampt (1911): Xây dựng dựa trên phươngtrình thấm Darcy Mein-Lason (1973) đã cải tiến phương pháp này để tính toán quátrình thấm theo hai giai đoạn: giai ddoeanj bão hòa và giai đoạn sau bão hòa Tronggiai đoạn bão hòa, đường cong cường độ thấm là đường quá trình mưa thực do đolượng mưa trong giai đoạn này chỉ tham gia vào quá trình thấm Trong giai đoạnsau bão hòa, lớp đất bề mặt đã bão hòa nước, đường cong thấm giảm theo quy luậtthấm trọng lực

Phương trình thấm Greeb-Ampt được viết dưới dạng:

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

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

J : Độ dơc thủy lực, J=Sf

- Khi F < Fs thì f=i F=

S IDM i

Ks−1 với i> Ks; và f = i

- Khi F ¿ Fs thì f = f p và fp=Ks (1+

S IDM

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

fp : Cường độ thấm tiềm năng (mm/s)

i : Cường độ mưa (mm/s)

F : Lượng thấm tích luỹ (mm)

Fs : 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 cơng thức

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

Trong đĩ: i: Ngày tính theo năm thủy lực

i=1: Ngày 1 tháng 1 i=365: Ngày 31 tháng 10 năm sau VP: Lượng bốc hơi ngày thứ i Lượng dự trữ trên bề mặt rất khĩ xác định do tính phức tạp của lưu vự đơ thị,

do vậy thành phần này thường được đánh giá qua điều tra và sau đĩ hiệu chỉnh qua mơ hình.

b, Tính tốn dịng chảy mặt

Phương trình mơ phỏng dịng chảy tràn trên mặt bao gồm phương trình liêntục và phương trình động lượng

Evaporation Rainfall

Infiltration

2 / 1 3 / 5

)(

1

S dp d n W

Hình 2.2 Mô hình bể chứa phi tuyến của lưu vực

ddp

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

d: Chiều sâu lớp nước chảy mặtt: Thời gian

A: Diện tích lưu vực bộ phậni*: Cường độ mưa hiệu quả = cường độ mưa rơi – (tổn thất + bốchơi bề mặt)

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

- Phương trình động lực lượng: phương trình liên tục (1.6) kết hợp vớiphương trình Manning dưới dạng:

Q=W 1

n(d−dp)

5/3S1 /2

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

n: Hệ số nhám Manning

dp : Tổn thấy điền trũng

S : Độ dốc lưu vực

Phương trình (1.6) và (1.7) kết hợp với nhau tạo thành hệ phương trình vi phânkhông tuyến tính để giải ra ẩn số là độ sâu theo phương pháp sai phân hữu hạn theodạng:

A n và Δtt là bước thời gian tính toán

- Vị trí các cửa vào, Cửa nhận nước và dòng chảy tràn

Qua trình dòng chảy từ modul dòng chảy mặt RUNOFF

Biểu diễn Q(t), H(t) tại vị trí bất kì của hệ thống tiêu thoát

Q(t)

Đầu vào các mô hình diễn toán khác trong hệ thống

Quá trình lưu lượng và mức nước tính toán

IN ẤN Q

2, Mô hình EXTRAN

Hệ thống diễn toán dòng chảy được EXTRAN mô phỏng dưới dạng một hệ

thống các nút (Node) và đường dẫn (Link) theo sơ đồ sau:

(2.1)

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống mô phỏng hệ thống diễn toán dòng chảy của EXTRAN

Trong hình 2.3 EXTRAN mô phỏng các thành phần sau đây:

+ Các loại sông, kênh hở có dạng mặt cắt hình học hoặc tự nhiên, các loại cống

+ Hồ điều tiết trực tiếp và gián tiếp với dạng mô phỏng qua quan hệ F-Z hoặc dạng

hình học

+ Các loại đập tràn, lỗ vòi ở bất kì vị trí nào trong hệ thống

+ Trạm bơm với hai phương thức bơm: Bơm gián tiếp từ hồ hoặc bơm trực tiếp từkênh, cớng dẫn.

+ Chấp nhận tất cả các loại biên cửa ra như: cửa thoát nước tự do hoặc cĩ lắp đặtvan điều khiển chảy một chiều hoặc hai chiều

+ Điều khiển qua trình đĩng cửa các cơng trình trong hệ thớng

+ Cho phép liên kết trực tiếp với mơ hình mưa-dịng chảy RUNOFF để trở thành

mơ hình lưu vực mơ tả tồn bộ quá trình mưa dịng chảy trên hệ thớng chung

a, Tính tốn dịng chảy trong hệ thống.

Các phương trình vi phân cơ bản để tính toán dịng chảy trong hệ thớng cớngthoát xuất phát từ hệ phương trình Saint Venant mơ tả dịng khơng ổn định mộtchiều, biến đổi chậm cho kênh hở và cớng kín

Hệ phương trình cơ bản: EXTRAN sử dụng hệ phương trình Saint Venantdưới dạng

Trong đó: A Diện tích mặt cắt (m2);

Q Lưu lượng dịng chảy (m3/s)

+ Phương trình động lực lượng:

∂ A

∂ t + ∂Q2/A

∂ x + gAS f + gA∂ H ∂ x = 0 (2.1b)Trong đĩ: H: Cao độ mực nước (m)

H= z+h, với z là cao độ đáy và H là chiều sâu mức nước nên độ dớcđáy đã bao gồm trơng gradient H

S f: Độ dớc ma sát thủy lực = k

Biến đổi phương trình liên tục thay Q= A.V

∂ A

∂ t + A.∂V ∂ x + V.∂ A ∂ x = 0

Nhân hai vế với V và chuyển vế ta cĩ:

+ Phương trình liên tục dùng để giải quyết bài toán ở các điểm nối, nút.

+ Phương trình chuyển động dùng để xác định lưu lượng hay tốc độ dòng chảyqua các đường dẫn gồm kênh hở, cống dẫn hở hoặc có áp

b, Tính toán dòng chảy qua công trình

Khi dòng chảy qua các công trình như đập tràn, cống thì chuyển động củadòng chảy thường thay đổi đột ngột nên được gọi là dòng chảy không đều biến đổigấp Do đó cần phải sử dụng công thức tính chuyển đổi để đưa về dạng không đềubiến đổi chậm để dảm bảo tính ổn định của mô hình

b.1, Đập tràn.

Đập tràn là một công trình ngăn dòng chảy và cho dòng dòng chảy tràn quađỉnh đập Đỉnh đập tràn dùng để kiểm soát mức nước và lưu lượng Tùy theo ảnhhưởng của mực nước hạ lưu đối với khả năng tháo nước qua đập, có thể có mộttrong hai chế độ chảy sau:

+ Chảy tự do: mực nước hạ lưu thấp hơn đỉnh đập hoặc cao hơn đỉnh đập nhưngchưa ảnh hưởng đến hình dạng làn nước tràn và khả năng tháo nước của đập

+ Chẩy ngập: mực nước hạ lưu cao hơn đỉnh đập ảnh hưởng đến lượng nước tràn

và khả năng tháo nước của đập

Với điều kiện (2-3)H ≤ δ < (8-10)H thì đập được coi là đập tràn đỉnh rộngvới: H-mức nước trên đỉnh của đập tràn về phía thượng lưu

δ- Chiều dày đập

Với m là hệ số phụ thuộc vào dạng của cửa vào.

C w-thường được lấy trong khoảng 1/7-1/8

L w- chiều rộng đập tràn (m) h- chiều sâu cột nước của đập trà về phía thượng lưu (m) V- vận tốc dòng chảy trước đập (m/s)

b.2, Diễn toán hồ chưa

EXTRAN sử dụng chương trình STORAGE để diễn toán hồ chứa Quá trình diễntoán sông – hồ theo sơ đồ thổng quát như sau:

Hình 2.5 Sơ đồ tổng quát diễn toán dòng chảy qua hồ chứa.

Phương trình mô phỏng hồ chứa là phương trình cân bằng thể tích theo mốiquan hệ bên trong trước thời gian ∆ t:

ΔtV Δtt =I−O (2.4)

Trong đó: I,O- là lượng dòng chảy vào và ra hồ chưa trong thời đoạn ∆ t (m3/s)

V- lượng nước trong hồ chứa (m3)

Chương 3: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SWMM ĐỂ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MƯA KHU ĐÔ THỊ PHÍA NAM VINH TÂN 3.1 Kiểm toán chế độ thủy lực hệ thông thoát nước trước khi xả ra hồ.

3.1.1 Giải pháp theo hồ sơ thiết kế.

Khu đô thị gồm 6 lưu vực nhỏ: Kiểm tra lưu vực I, nằm ở phía Tây Bắc củakhu đô thị Nam Vinh Tân

Các bước thực hiện mô phỏng một Project:

- Bước 1: Khai báo các thông số mặc định và các tùy chọn

- Bước 2: Vẽ sơ đồ lưu lượng và mạng lưới công trình thoát nước

- Bước 3: Khai báo thông số của hệ thống

- Bước 4: Chạy mô phỏng

- Bước 5: Xem kết quả

- Bước 6: Hiệu chỉnh thông số đầu vào và mô phỏng lại (nếu cần)

a) Bước 1: Khai báo các thông số mặc định và các tùy chọn

- Khai báo các kí hiệu cho từng đối tượng:

Hình 1: Khai báo các ký hiệu cho từng đối tượng

Các thông số:

+ Rain Gages: Trạm đo mưa

+ Subcatchments: Tiểu lưu vực

+ Junctions: Nút

+ Outfalls: Cửa xả

+ Dividers: Cửa chia nước

+ Storage Units: Vùng trữ tạm nước

+ Conduits: Ống dẫn (kênh, ống sông)

+ Pumps: Bơm

- Khai báo giá trị mặc định cho tiểu lưu vực:

Hình 2: Khai báo các giá trị mặc định cho tiểu lưu vực.

Các thông số:

+ Area: Diện tích lưu vực

+ Width: Bề rộng lưu vực

+ %Slope: Độ dôc trung bình

+ %Imperv: % Tỉ lệ diện tích không thấm

+ N-Imperv: Hệ số nhám Maning của phần không thấm và vùng thấm.+ Dstore-Perv: Lưu lượng dự trữ lại trên vùng không thấm

+ Imfiltration Model: Phần hoàn toàn không thấm.

- Khai báo các giá trị mặc định cho nút:

Hình 3: Khai báo các giá trị mặc định cho nút, đường dẫn.

Các thông số:

+ Node Invent: Giá trị cho nút

+ Node Max Depth: Chiều sâu mắc của nút

+ Conduit Length: Chiều dài conduit (m)

+ Conduit Geometry: Loại conduit

+ Conduit Roughness: Hệ số nhám của conduit

+ Flow Units: Đơn vị tính ( CMS-m3/s)

+ Force Main Equation: Phương pháp tính: Dynamic Wave cho dòng chảykhông ổn định

- Khai báo Maps Option (View/ Map Options) Hoặc kích chuột phải tạihộp thoại Study Area Map  Options

Hình 4: Khai báo các giá trị mặc định cho Map Option

Các thông số:

+ Subcatchments: Khai báo kí hiệu tiểu lưu vực

+ Nodes: Khai báo biểu tượng nút

+ Links: Kí hiệu biểu tượng đường ống

+ Labels: Kí hiệu nhãn

+ Annotation: Thể hiện các giá trị trên màn hình

+ Symbols: Thể hiện kí hiệu ống

+ Flow Arrows: Loại mũi tên

+ Background: Màu nền

b) Bước 2: Vẽ sơ đồ lưu vực I và mạng lưới công trình thoát nước:

Viev  Back drop  Load  File mặt bằng đô thị cần đồ  ok  đồlại đô thị thêm mặt bằng trên:

Hình 5: Sơ đồ mô phỏng mạng lưới thoát nước của lưu vực 1 trong mô hình SWMM.

c) Bước 3: Khai báo các thông số của hệ thống.

c1) Khai báo cho đối tượng tiểu lưu vực- subcatchments

Lưu vực I là một khu vực hứng nước nhỏ trong lưu vực đô thị, trong đó dòngchảy thình thành trong khu vực này đều chảy ra 1 điểm nào đó gọi là cửa xả củalưu vực Chia lưu vực I thành 6 tiểu lưu vực nhỏ khác Lưu vực con có thể bao gồmcác khu vực thấm nước hoặc không thấm nước

Quá trình thấm trong các tiểu lưu vực xuống tầng chưa bão hòa được mô phỏngbằng 1 trong 3 mô hình khác nhau: Horton infiltration, Green-Ampt infiltration,SCS Curve number infiltration (trong đề tài này chọn mô hình thấm Horton)

Vì đây là khu đô thị mới được trải nhựa ở tất cả các con đường nên diện tíchvùng thấm gần như chủ yếu trong các nhà dân

Giao diện nhập dữ liệu cho tiểu lưu vực:

Hình 6: Giao diện nhập số liệu cho lưu vực.

Các thông số chính của tiểu lưu vực:

+Tên tiểu lưu vực (Name)

+ Tên trận mưa trên tiểu lưu vực (Raingage)

+ Nút thu nước mưa chảy tràn từ tiểu lưu vực (Outlet)

+Diện tích tiểu lưu vực (Area)

+ Bề rộng tiểu lưu vực (Width) là khoảng cách nước di chuyển từ nơi xa nhấtcủa tiểu lưu vực đến nút thu nước, do đó khoảng cách này càng ngắn thì thờigian nước thoát càng nhanh

+ Độ dốc của tiểu lưu vực (Slope)

+Phần tram không thấm (%Imper- Impervious)

+Hệ số nhám Manning

+ Chiều sâu vùng trũng chứa nước

+ Phần trăm diện tích không có vùng trũng chưa nước của bề mặt không thấmnước (%Zero-Imperv)

+ Hướng thoát nước của tiểu lưu vực (Subarea Routing)

+ Phần tram nước thoát trên tiểu lưu vực (Percent Routed)

+ Phương trình thấm (Infiltration): được xác định theo phương trình thấmHorton

c2) Khai báo thông số đo mưa – Rain Gages

Số liệu lấy ở trạm mưa phía Nam Vinh Tân: Kiểm tra khả năng làm việc củaHTTN với trận mưa bất lợi diễn ra gần đây (15/10/2016): Mưa trong 3 tiếng(16h-18h)

Giao diện nhập dữ liệu cho mưa:

Hình 7: Giao diện khai báo thông số đo mưa.

Các thồng số chính của dữ liệu mưa:

+ Tên trận mưa (Name)

+ Kiểu mưa (Rain Format)

+ Khoảng thời gian mưa (Rain Ivterval)

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