Nghiên cứu xác định quy mô hợp lý trạm bơm và hồ điều hòa của hệ thống thoát nước lưu vực đông mỹ, thành phố hà nội

LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Hà Nội, tháng 04 năm 2018 Tác giả Luận văn i LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu giúp đỡ thầy giáo, cô giáo, đến công việc nghiên cứu học viên đạt kết định để viết lên luận văn Từ đáy lịng mình, tác giả luận văn xin chân thành cảm ơn GS TS Dương Thanh Lượng, người hướng dẫn khoa học tận tình dìu dắt, giúp đỡ tác giả suốt trình học tập nghiên cứu Chân thành cảm ơn Bộ mơn Cấp nước, Khoa Kỹ thuật tài nguyên nước, Phòng Đào tạo đại học sau đại học, Trường Đại học Thuỷ lợi với vai trò quan đào tạo tạo điều kiện thuận lợi cho học viên học tập nghiên cứu Xin cảm tạ lòng người thân yêu gia đình động viên, giúp đỡ gửi gắm nơi học viên Hà Nội, tháng 04 năm 2018 Tác giả Luận văn ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG v DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .ix MỞ ĐẦU .x Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu x Mục tiêu nghiên cứu xii Đối tượng nghiên cứu xii Phạm vi nghiên cứu xii Nội dung nghiên cứu xii Phương pháp nghiên cứu cách tiếp cận xiii Dự kiến kết xiii CHƯƠNG TỔNG QUAN .14 1.1 Điều kiện tự nhiên vùng nghiên cứu 14 1.2 Tình hình dân sinh, kinh tế, xã hội .21 1.3 Hiện trạng thủy lợi vùng dự án 22 1.4 Tóm tắt kết nghiên cứu quy mô trạm bơm hồ điều hòa cho lưu vực nghiên cứu 24 1.1 Các nghiên cứu tối ưu hóa hệ thống tiêu thoát nước nước giới .26 1.1.1 Các nghiên cứu nước 26 1.1.2 Các nghiên cứu tiêu thoát nước nước 27 1.2 Kết luận chương 29 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA TRẠM BƠM, HỒ ĐIỀU HÒA VÀ CÁC ĐỐI TƯỢNG KHÁC CỦA HỆ THỐNG TIÊU THOÁT NƯỚC NGHIÊN CỨU 31 2.1 Trạm bơm phương pháp xác định thông số thiết kế trạm bơm .31 2.1.1 Phương pháp xác định cột nước máy bơm tiêu 31 2.1.2 Phương pháp xác định lưu lượng thiết kế trạm bơm tiêu 32 2.1.3 Lựa chọn phương pháp tính tốn tiêu nước 39 2.2 Hồ điều hoà hệ thống tiêu nước phương pháp tính tốn hồ điều hịa .39 2.2.1 Khái niệm 39 2.2.2 Phương pháp thuật toán xác định kích thước hồ điều hồ .41 2.3 Các loại đối tượng cần mơ mơ hình SWMM .41 2.4 Các số liệu đầu vào mơ hình 49 2.5 Sơ đồ hoá hệ thống tiêu thoát nước 53 2.6 Thiết lập mơ hình hóa hệ thống tiêu thoát nước SWMM 54 2.7 Bài tốn tối ưu hóa thơng số hệ thống tiêu thoát nước 58 2.8 Kết luận chương 62 CHƯƠNG XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ TRẠM BƠM VÀ KÍCH THƯỚC THIẾT KẾ CỦA CÁC HỒ ĐIỀU HOÀ 63 3.1 Xác định quan hệ ràng buộc quy mơ trạm bơm hồ điều hịa .63 3.1.1 Phương trình điều kiện ràng buộc .63 3.1.2 Phương pháp xác định ràng buộc 63 3.2 Xác định giá trị lưu lượng diện tích hồ tối ưu 67 3.2.1 Xây dựng hàm mục tiêu toán tối ưu 67 3.2.2 Xác định phương án tối ưu 70 3.3 Kết luận chương 72 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤ LỤC .76 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Nhiệt độ trung bình tháng Hà Nội Hà Đơng ( C) 16 Bảng 1.2 Độ ẩm tương đối trung bình tháng Hà Nội Hà Đơng (%) 16 Bảng 1.3 Lượng mưa năm số trạm hệ thống Sông Nhuệ 17 Bảng 1.4 Kết tính tốn lượng mưa 1, 3, 5, ngày max ứng với tần suất P = 5% 10% (đơn vị: mm) 17 Bảng 1.5 Lượng mưa 72 trạm Láng (mm) 17 Bảng 1.6 Lượng mưa 72 trạm Hà Đông (mm) 18 Bảng 1.7 Lượng mưa ngày trận mưa đặc biệt lớn năm 2008 (mm) 19 Bảng 1.8 Lượng bốc trung bình tháng Hà Nội Hà Đơng (mm) 19 Bảng 1.9 Các mực nước Sông Hồng Hà Nội (Long Biên) ứng với tần suất tính tốn 20 Bảng 1.10 Các mực nước Sông Hồng Yên Sở ứng với tần suất tính tốn 20 Bảng 1.11 Các mực nước Sông Hồng Đông Mỹ ứng với tần suất tính tốn 21 Bảng 1.12 Mực nước báo động số vị trí sơng Nhuệ sơng Hồng 21 Bảng 1.13 Tình hình dân số năm 2015 huyện Thanh Trì (Phần nằm trong lưu vực tiêu TB Đông Mỹ) 22 Bảng 1.14 Diện tích, suất số trồng chủ yếu địa phương thuộc Hà Nội 22 Bảng 1.15 Phương án máy bơm trạm bơm Đông Mỹ 26 Bảng 2.1 Thông số tiểu lưu vực (Subcathments) hệ thống tiêu Đông Mỹ 50 Bảng 2.2 Lượng mưa lớn ứng với tần suất 10% (mm) .51 Bảng 2.3 Lượng mưa ngày max TS 10% phân phối theo ngày (mm) .51 Bảng 2.4 Lượng mưa 72 TS 10% phân phối theo (mm) 52 Bảng 3.1 Kết xác định diện tích hồ F hồ theo lưu lượng trạm bơm đầu mối Q TB để lưu vực khơng có ngập úng 66 Bảng 3.2 Chi phi xây dựng trạm bơm 68 Bảng 3.3 Tổng chi phí xây dựng 70 Bảng 3.4 So sánh với kết tính tốn với nghiên cứu trước .71 Bảng PL1 Thông số tiểu lưu vực (Subcathments) hệ thống tiêu Đông Mỹ mô SWMM 77 Bảng PL2 Thông số nút (Junctions) hệ thống tiêu Đông Mỹ mô SWMM 81 Bảng PL3 Thông số đường dẫn (Conduits) hệ thống tiêu Đông Mỹ mô SWMM .84 Bảng PL4 Quá trình mực nước điểm khống chế O-51 - Trường hợp chọn Q TB =36m /s, F hồ =11,8ha .88 Bảng PL5 Cơ cấu sử dụng đất năm 2015 huyện Thanh Trì (Phần đất nằm lưu vực tiêu TB Đông Mỹ) 90 Bảng PL6 Tổng hợp diện tích loại đất lưu vực tiêu trạm bơm Đông Mỹ 91 Bảng PL7 Cơ cấu diện tích đất phi nơng nghiệp 92 Bảng PL8 Hiện trạng cơng trình kênh thuộc lưu vực dự án 92 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Vị trí lưu vực nghiên cứu hệ thống tiêu nước thị trung tâm TP Hà Nội 14 Hình 2.1 Sơ đồ tính tốn thời gian dịng chảy 33 Hình 2.2 Quan niệm dịng chảy mặt 37 Hình 2.3 Ví dụ thể đối tượng vật lý dùng để mơ hình hóa hệ thống tiêu thoát nước .42 Hình 2.4 Thí dụ trắc ngang kênh tự nhiên .47 Hình 2.5 Mơ hình mưa thiết kế - trạm Hà Đơng 53 Hình 2.6 Mơ hình mưa thiết kế - trạm Hà Nội .53 Hình 2.7 Hệ thống tiêu nước lưu vực nghiên cứu mơ SWMM 56 Hình 2.8 Minh họa phần đồ làm việc SWMM ảnh hệ thống tiêu thoát nước 57 Hình 2.9 Sơ đồ thuật tốn tối ưu hóa với hai thơng số điều khiển lưu lượng Q diện tích hồ điều hịa F hệ thống tiêu thoát nước 61 Hình 3.1 Nhập giá trị diện tích hồ điều hịa thơng số khác hồ 64 Hình 3.2 Đường trình lưu lượng TB Đơng Mỹ - Trường hợp Q TB =21m /s F hồ =64,7ha .65 Hình 3.3 Đường trình mực nước điểm khống chế O-51 - Trường hợp Q TB =21m /s, F hồ =64,7ha .65 Hình 3.4 Đường q trình mực nước hồ Đơng Mỹ - Trường hợp Q TB =21m /s, F hồ =64,7ha .65 Hình 3.5 Đường trình lưu lượng (+) vào (−) hồ Đông Mỹ - Trường hợp Q TB =21m /s, F hồ =64,7ha .66 Hình 3.6 Quan hệ F hồ ~Q TB thỏa mãn ràng buộc Z maxĐM (Q, F)=3,9 67 Hình 3.7 Đồ thị quan hệ phí xây dựng trạm bơm lưu lượng trạm C TB ~Q 69 Hình 3.8 Đồ thị quan hệ C hồ diện tích hồ F hồ 70 Hình 3.9 Quan hệ tổng chi phí xây dựng lưu lượng thiết kế trạm bơm 71 Hình PL1 Đường trình lưu lượng TB Đông Mỹ - Trường hợp chọn Q TB =36m /s, F hồ =11,8ha .87 Hình PL2 Đường trình mực nước điểm khống chế O-51 - Trường hợp chọn Q TB =36m /s, F hồ =11,8ha .87 Hình PL3 Đường trình mực nước hồ Đông Mỹ - Trường hợp chọn Q TB =36m /s, F hồ =11,8ha .89 Hình PL4 Đương trình lưu lượng (+) vào (−) hồ Đông Mỹ - Trường hợp chọn Q TB =36m /s, F hồ =11,8ha 89 vii Hình PL5 Đường trắc dọc kênh Om có mực nước lớn - Trường hợp chọn Q TB =36m /s, F hồ =11,8ha .89 Hình PL6 Đường trắc dọc kênh Đồng Trì có mực nước lớn - Trường hợp chọn Q TB =36m /s, F hồ =11,8ha 90 viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT C P C C hC S D A D ôD ự D T Đ T H iĐ ầH L H T L ạH ệL L L V M L M N Q H Q ự Q uQ H Q H Q H Q H 2Q H 9S u y W T B T tT rT L T L T hT iT P U B V hỦ yĐ Đ V Đ Đ Q u y Q u y Q u y Q u yS ix MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Hà Nội thủ đô Việt Nam, trung tâm trị, kinh tế, văn hóa, khoa học cơng nghệ nước Hà Nội có tiềm phát triển đáng kể, nhiên, sở hạ tầng xây dựng khơng bắt kịp tốc độ thị hóa Hà Nội đối mặt với nhiều vấn đề, đặc biệt tình trạng ngập úng Trong các quy hoạch thủ đô, lưu vực Đông Mỹ phần đô thị trung tâm TP Hà Nội phía nam sơng Hồng Lưu vực Đơng Mỹ thị hóa với tốc độ cao dự kiến hồn tồn trở thành đất thị vào khoảng năm 2030 Lưu vực chứa phần đô thị S5, thuộc chuỗi thị phía đơng đường Vành Đai đô thị trung tâm Hà Nội, đồng thời cịn chứa phần đất sinh thái nơng nghiệp Lưu vực Đông Mỹ nằm phần thấp thị Hà Nội phía nam sơng Hồng biết “rốn nước” đô thị Hà Nội nạn úng ngập thường xuyên xảy mức độ ngập nghiêm trọng Trong năm gần đây, với thành tựu khoa học cơng nghệ, việc tính tốn tiêu nước ngày cải tiến với công cụ đại, cho phép tăng độ xác gần gũi với chất trình vật lý hệ thống, bao gồm quy trình thủy văn, thủy lực, mơ hình: MIKE, SWMM Do ý định sử dụng công cụ để mô hệ thống tiêu nước lưu vực Đơng Mỹ nhằm xác định quy mơ cơng trình (trạm bơm đầu mối, hồ điều hồ chủ yếu, kênh tiêu chính) việc nên đề cập đến Để khắc phục tình trạng ngập úng, thành phố có kế hoạch xây dựng hệ thống tiêu nước trạm bơm để nước sơng Hồng Dự kiến vào khoảng năm 2020, khu vực có trạm bơm Đơng Mỹ Ngồi ra, dự kiến xây dựng hồ chứa nước mưa để giảm úng ngập giảm kích thước trạm bơm Tuy nhiên, số lượng quy mơ hồ điều hồ chưa xác định cách rõ ràng, cần nghiên cứu cụ thể vấn đề Nghiên cứu xây dựng hệ thống tiêu nước Đơng Mỹ, có việc xác định quy mơ trạm bơm đầu mối hồ điều hịa cần thiết lý sau đây: 1) Phòng chống lũ lụt, khắc phục bất cập hệ thống tiêu đối phó với biến đổi khí hậu tồn cầu Do thủy khu vực bất lợi, mùa mưa mực nước sông cao mà mặt đất khu vực lại thấp, việc tiêu nước tự chảy từ khu vực nguồn nhận nước sông Nhuệ khó khăn Giải pháp tiêu nước cho khu vực cần thực chủ yếu động lực, lực trạm bơm tiêu Đông Mỹ cịn q thấp, quy mơ cơng trình tiêu nhỏ bé, hệ thống kênh mương tiêu nước 10 Hình PL6 Đường trắc dọc kênh Đồng Trì có mực nước lớn - Trường hợp chọn Q TB =36m /s, F hồ =11,8ha Bảng PL5 Cơ cấu sử dụng đất năm 2015 huyện Thanh Trì (Phần đất nằm lưu vực tiêu TB Đông Mỹ) T Đ L N N TV V T Loạ T T ô iê gọ g ứ ĩn T iV ổ n n c ũ H n h Tổ ă 60 24 31 35 30 29 21, 38 1.9 ng ,9 2,3 8,2 8,6 8,5 6,1 07 9,1 95, diệ 13 17 17 12 11 7, 24 Đấ tĐất ,0 5,126,4 14 3,0 14 7,8 8,24 60, 1,5 17 85 trồ Đất , , 5,6 2,8 8, , 4,4 2 2 7, trồn , 4, , , 7, 2, , 1 gĐất 0 0 0, 31 42 12 22 trồ Đất ,3 10, 2, 2, 4, 9, 00, 6, , nuô 54 , 10 7,9 14 8, 18 9, 17 8, 17 0, 12, 14 3, 1.07 Đấ tĐất ,60 6,841,0 5,439,667,64 88 0, 7,3605,4 quố Đất ,0 ,0 6,0 ,0 ,0 ,1 00, ,0 23 an Đất ,0 ,0 ,2 4, ,0 ,0 00, ,0 5, cụ Đ , , , 8, , , , 0, ất , , 0, , , 5, 5, cĐ ất 15 4 1, p ,8 4, 6, 4, 0, 9, 8, hĐ 4 2, 1 1 0, ấ , , , , , , , , tĐất 0 0 0 0, 0 , bãi , , , , , , , 90 T T Loạ T T iV thả ă iĐất 82 ởĐất 22 , ởĐất ,1 2.1 xây , dự Đất 2.1 xây , dựn 2.1 Đất Đ , 2.1 ấ t , lĐ 2.1 ất , sả Đất 2.1 sin , 2.1 hĐất Đ 2.1 ấ tĐ 2.1 ấ tĐ 2.1 ấ t Đấ t Đ L N N TV V T ô iê gọ g ứ ĩn ổ n n c ũ H n h 5,0 , , 5,0 , , 5,0 , , 8,0 , 0, 1,0 , 8, 3, 00, 0, , , , , , , , 0 , , , , , , , , , , , , , 0, 0, 0, 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , 0, 0, 6, , 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , 0, 0, 8,0 72 , 0, , , , , 3 , , , , , , , , 3 , , 0 , , , , Bảng PL6 Tổng hợp diện tích loại đất lưu vực tiêu trạm bơm Đông Mỹ Đ Đ Đ Lư Đ Đ Đấ ất ất ấ Di u ấ ất t ện vự t tr tr n p t tí Số 3,u c 4, lư 19 22 41 09 17 36 Tỉ lệ , , , 91 Bảng PL7 Cơ cấu diện tích đất phi nông nghiệp T T T ổ 0, 72 2, 9, 2 T ổĐ ất Đ ấ tĐ ất Đ ất Đ ấ tĐ ất Bảng PL8 Hiện trạng cơng trình kênh thuộc lưu vực dự án K C T T h H h T c i t ẩ A Kê nh Cố 8Hỏ ng Cầ ×3 2ng Xu uCố ng Cố × 05KT ốn nh 5KT ng Cầ uCố × × 2nh KT 53KT nh ng Cố ng Cố × × nh 3KT nh 3KT ng Cố B ng Kê × × nh 4KT nh nh Cố ng Cố × 11 ng Cố × 21 ng Cố 01 5KT nh 5KT nh ng × 92 ... ? ?Xác định quy mô hợp lý hồ điều hồ trước trạm bơm? ?? [22] tính tốn điều tiết phối hợp trạm bơm đầu mối hồ với quy mô giả định khác từ thiết lập quan hệ dung tích hồ W theo lưu lượng thiết kế Q trạm. .. ưu): lưu lượng thiết kế trạm bơm Đông Mỹ Q TK , diện tích hồ điều hồ Đơng Mỹ F hồ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu Hệ thống tiêu nước lưu vực Đơng Mỹ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Phạm vi nghiên cứu. .. hồ điều hồ - Nghiên cứu Dương Thanh Lượng (2009) ? ?Mô hệ thống thoát nước TP Hà Nội xác định giải pháp tiêu nước tổng thể” [21] xác định thơng số cơng trình chủ yếu hệ thống gồm: 1) Các trạm bơm