Nghiên cứu tính toán thoát nước mưa lưu vực quận 4, thành phố hồ chí minh

HCM với một số kịch bản về mưa và triều, từ đó: - Đánh giá khả năng thoát nước của hệ thống cống ngầm hiện hữu - Đánh giá sự cần thiết / không cần thiết xây dựng hồ điều tiết Khánh Hội t

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN VĂN ĐỨC

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THOÁT NƯỚC MƯA

LƯU VỰC QUẬN 4, THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Chuyên ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

Mã ngành: 60580202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2019

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Huỳnh Thanh Sơn

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS Nguyễn Hồng Quân

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Quang Trưởng

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 30 tháng

07 năm 2019

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS TS Lê Song Giang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

—-oOo—

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình thủy

MSHV: 1570125

1 - TÊN ĐÈ TÀI: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THOÁT NƯỚC MƯA LƯU VỰC QUẬN

4, THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

2 - NHỆM VỤ VÀ NỘI DUNG LUẬN VĂN:

Nghiên cứu ứng dụng mô hình thủy lực PCSWMM vào bài toán thoát nước mưa cho lưu vực quận 4, Tp HCM với một số kịch bản về mưa và triều, từ đó:

- Đánh giá khả năng thoát nước của hệ thống cống ngầm hiện hữu

- Đánh giá sự cần thiết / không cần thiết xây dựng hồ điều tiết Khánh Hội trong lưu vực

3 - NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/02/2019

4 - NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 25/06/2019

5 - CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS HUỲNH THANH SON

Tp HCM, ngày 12 tháng 08 năm 2019

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

i

LỜI CÁM ƠN

Đề tài luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu tính toán hệ thống thoát nước mưa lưu vực quận 4, thành phố Hồ Chí Minh” được hoàn thành tại trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS TS Huỳnh Thanh Sơn

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến Thầy PGS.TS Huỳnh Thanh Sơn, cảm ơn Thầy đã dìu dắt, tận tình hướng dẫn và hết lòng giúp đỡ, động viên tôi rất nhiều vượt qua khó khăn không chỉ trên giảng đường mà cỏn trong cuộc sống để tôi có thể hoàn thành được

đề tài này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy PGS TS Nguyễn Thống, Thầy TS Nguyễn Quang Trưởng và các Thầy Cô khác trong Bộ môn Kỹ thuật Tài nguyên nước đã tư vấn và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến ThS Diệp Nguyên Thịnh - Phó giám đốc công ty TNHH Một thành viên Thoát nước Đô thị Tp Hồ Chí Minh đã quan tâm giúp đỡ hỗ trợ tôi trong việc thu thập số liệu và kiến thức chuyên môn phục vụ cho quá trình làm luận văn

Và cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến gia đình đã luôn bên tôi trong những lúc khó khăn,

là nguồn động viên tinh thần rất lớn để tôi có thể hoàn thành được luận văn này

Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 08 năm 2019

HỌC VIÊN

Nguyễn Văn Đức

2

TÓM TẮT

Luận văn tập trung vào bài toán ngập do mưa và triều ở lưu vực quận 4, TP HCM Lưu

Nghé, có thể được xem như là một lưu vực độc lập

Các tính toán thủy lực được thực hiện với nhiều tổ hợp mưa và triều khác nhau với công

có tác dụng khi mưa có vũ lượng rất lớn (khoảng 180 mm) và triều cường (khoảng +1,91 m)

ha và chiều sâu 3 m

Luận văn hiện tại chưa xét đến vai trò của 2 cống ngăn triều Bến Nghé và Tân Thuận

ABSTRACT

This thesis focuses on the problem of flooding due to rain and tide in the basin of

Canal and Ben Nghe Canal, can be seen as an independent basin

Hydraulic calculations are carried out with many different rain and tide combinations with the support of ID & 2DH PCSWMM 2019 software

The calculation results show that the District 4 basin only suffers from flooding at different levels (light, medium and heavy) when there is rainfall over 110 mm and tide above +1,21 m

The thesis also considers the plan of making Khanh Hoi regulating lake with an area

of about 4,8 hectares at the request of the Center for Flood Protection in Ho Chi Minh City The calculation results show that the regulating lake is only effective when the rain is very large (about 180 mm) and high tide (about +1,91 m) With the existing sewer system, the requữed reservoữ capacity is only about 90.000m3 with an area of 3,0 ha and a depth of 3 m

The current thesis does not consider the role of two sluices to prevent Ben Nghe and Tan Thuan tide

3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những nội dung được trình bày trong luận văn “Nghiên cứu tính toán thoát nước mưa lưu vực quận 4, Tp Hồ Chí Minh” được do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của Thầy PGS.TS Huỳnh Thanh Sơn

Trong luận văn có sử dụng các tài liệu tham khảo được trích dẫn rõ ràng, số liệu thu thập phục vụ nghiên cứu là trung thực Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên nghiên cứu của mình

Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 08 năm 2019

HỌC VIÊN

Nguyễn Văn Đức

4

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU vn DANH MỤC HÌNH VIH

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẰU 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ: 1

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CÚU 3

1.2.1 Mục tiêu chung 3

1.2.2 Mục tiêu cụ thể 3

1.3 PHẠM VI NGHIÊN CÚU 3

1.4 NỘI DUNG NGHIÊN CÚU 4

1.5 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 4

1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CÚU 4

1.7 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VÀ NGOÀI NƯỚC 4

1.7.1 Các nghiên cứu trong nước 4

1.7.2 Các nghiên cứu ngoài nước 5

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU LƯU VỰC TÍNH TOÁN 7

2.1 ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN 7

2.1.1 Vị trí địa lý 7

2.1.2 Địa hình: 8

2.1.3 Địa chất công trình: 8

2.1.4 Đặc điểm khí hậu: 9

2.1.5 Điều kiện kinh tế, văn hóa xã hội 10

2.1.6 Chế độ thủy văn 11

2.1.7 Tình hình ngập lụt và thiệt hại do ngập 11

2.2 ĐÁNH GIÁ NGUYÊN NHÂN GÂY NGẬP TRONG KHU VỰC 12

2.2.1 Các nguyên nhân khách quan 12

V

2.2.2 Các nguyên nhân chủ quan 14

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT LẬP MÔ HÌNH 16

3.1 Cơ SỞ LỰA CHỌN MÔ HÌNH IÍNH TOÁN THOÁT NƯỚC MƯA 16

3.2 TÔNG QUAN MÔ HÌNH PCSWMM 2019 19

3.2.1 Giới thiệu mô hình PCSWMM 2019 19

3.2.2 Khả năng mô hình PCSWMM 2019 19

3.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH PCSWMM 21

3.3.1 Tính toán lượng mưa hiệu quả 21

3.3.2 Tính toán thấm, lượng thấm 22

3.3.3 Tính toán dòng chảy 1D 23

3.3.4 Tính toán dòng chảy 2DH (2DH flow) 25

3.4 THIẾT LẬP MÔ HÌNH 27

3.4.1 Cơ sở tính toán 27

3.4.2 Sơ đồ lưới tính 27

3.4.3 Điều kiện biên 28

3.4.4 Các bước tiến hành thiết lập mô hình 28

3.4.5 Xác định biên tổng thể của lưu vực nghiên cứu 28

3.4.6 Sơ đồ hóa hệ thống cống thoát nước 29

3.4.7 Phân chia tiểu lưu vực 30

3.4.8 Cập nhật cao độ địa hình DEM cho lưu vực nghiên cứu 30

3.4.9 Sơ đồ hóa mạng lưới các kênh giả chảy trên bề mặt 31

3.4.10 Các thông số đầu vào của mô hình 31

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ CÁC KỊCH BẢN TÍNH TOÁN 34

4.1 THIẾT LẬP CÁC KỊCH BẢN TÍNH TOÁN 34

4.2 HỆU CHỈNH VÀ KIÊM ĐỊNH MÔ HÌNH TÍNH TOÁN 35

vi

4.2.2 Hiệu chỉnh mô hình tính toán 51

4.3 PHÂN TÍCH CÁC KỊCH BẢN TÍNH TOÁN 54

4.3.1 Phân tích kết quả kịch bản 1 54

4.3.2 Phân tích kết quả kịch bản 2 61

4.3.2 Phân tích kết quả kịch bản 3 76

CHƯƠNG 5: CÁC GIẢI PHÁP GIẢM NGẬP CHO LƯU VỰC QUẬN 4 98

5.1 CÁC PHƯƠNG ÁN GIẢM NGẬP CHO Lưu vực 98

5.2 ẢNH HƯỞNG CỦA HỒ ĐIỀU TIẾT ĐỐI VỚI QUÁ TRÌNH NGẬP 100 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 111

6.1 KẾT LUẬN 111

6.2 KIẾN NGHỊ 111

TÀI LỆU THAM KHẢO 112

PHỤ LỤC 114

vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Thống kê nhiệt độ trung bình các tháng trong năm trạm Tân Sơn Nhất

(°C) 9

Bảng 2.2 Thống kê độ ẩm trung bình UTB các tháng, trạm Tân Sơn Nhất (%) 9

Bảng 2.3 Bốc hơi trung bình (ETB) các tháng, trạm Tân Sơn Nhất (mm) 9

Bảng 2.4 Phân phối mưa các tháng trong năm trạm Tân Sơn Nhất (mm) 10

Bảng 2.5 Lượng mưa trung bình (mm) trên địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2005 - 2013 ( Nguồn: Viện Nghiên cứu phát triển Thành phố Hồ Chí Minh) 14

Bảng 2.6 Thống kê số lần xuất hiện của những trận mưa có vũ lượng vượt quá ngưỡng cho trước tại trạm Tân Sơn Hòa, Thành phố Hồ Chí Minh (Nguồn: Hồ Long Phi - 2010) 14

Bảng 4.1 Bảng tiêu chí đánh giá ngập khu vực thành phố Hồ Chí Minh 53

Bảng 4.2 Bảng lượng mưa thiết kế theo từng thời đoạn 61

Bảng 4.3 Bảng giá trị mưa - triều cho phân tích mô hình 76

Bảng 5.1 Các kịch bản tính toán hồ điều tiết 103

Bảng 5.2 Bảng tổng hợp độ sâu ngập tại nút H5 (đường Khánh Hội) 107

Bảng 5.3 Bảng tổng hợp độ sâu ngập tại nút H7 (đường Tôn Thất Thuyết) 107

Bảng 5.4 Bảng tổng hợp độ sâu ngập tại nút H3 (đường Đoàn Văn Bơ) 107

viii

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Bản đồ lưu vực Quận 4 3

Hình 2.1 Bản đồ hành chính các phường quận 4 7

Hình 2.2 Bản đồ địa hình lưu vực Quận 4 8

Hình 2.3 Kết quả quan trắc mực nước tại sông Sài Gòn (trạm Phú An) và tại biển Vũng Tàu giai đoạn 2005-2013 (Nguồn: Viện Nghiên cứu phát triển Thành phố Hồ Chí Minh) 13

Hình 3.1 Phương trình đường cong thấm Horton 23

Hình 3.2 Biên tổng thể lưu vực quận 4 29

Hình 3.3 Sơ đồ hóa hệ thống cống thoát nước lưu vực quận 4 29

Hình 3.4 Bản đồ phân chia tiểu lưu vực quận 4 30

Hình 3.5 Bản đồ phân chia tiểu lưu vực quận 4 30

Hình 3.6 Sơ đồ hóa mạng lưới các kênh giả chảy hên bề mặt 31

Hình 3.7 Khai báo thông số đầu vào của nút (hầm ga, cửa xả) 32

Hình 3.8 Khai báo thông số đầu vào của tuyến cống, kênh 32

Hình 3.9 Khai báo thông số đầu vào của tiểu lưu vực 33

Hình 4 1 Biểu đồ mưa dùng khảo sát độ nhạy các thông số tính toán 35

Hình 4.2 Biểu đồ triều dùng khảo sát độ nhạy các thông số tính toán 35

Hình 4.3 Vị trí các điểm trích xuất lưu lượng và mực nước 36

Hình 4.4 Diễn biến mực nước hố ga tại một số vị trí 38

Hình 4.5 Diễn biến lưu lượng trong cống tại một số vị trí 41

Hình 4.6 Diễn biến mực nước hố ga tại một số vị trí 43

Hình 4.7 Diễn biến lưu lượng trong cống tại một số vị trí 46

Hình 4 8 Diễn biến mực nước hố ga tại một số vị trí 48

Hình 4 9 Diễn biến lưu lượng trong cống tại một số vị trí 51

Hình 4.10 Biểu đồ mưa hiệu chỉnh mô hình tính toán 51

Hình 4.11 Biểu đồ triều hiệu chỉnh mô hình tính toán 52

Hình 4.12 Bản đồ độ sâu ngập lưu vực quận 4 ngày 19/05/2018 52

Hình 4.13 Biểu đồ mưa thiết kế (kịch bản 1) 54

Hình 4.14 Biểu đồ triều thiết kế (kịch bản 1) 54

ix

Hình 4.15 Diễn biến mực nước hố ga tại một số vị trí (kịch bản 1) 56

Hình 4.16 Diễn biến lưu lượng trong cống tại một số vị trí (kịch bản 1) 58

Hình 4.17 Bản đồ độ sâu ngập lúc 16h30 (kịch bản 1) 58

Hình 4.18 Bản đồ độ sâu ngập lúc 17h50 (kịch bản 1) 58

Hình 4.19 Bản đồ độ sâu ngập lúc 18h50 (kịch bản 1) 59

Hình 4.20 Bản đồ độ sâu ngập lúc 211150 (kịch bản 1) 59

Hình 4.21 Giá trị vận tốc dòng chảy lớn nhất trong lưu vực 59

Hình 4.22 Trường vận tốc đường Nguyễn Tất Thành lúc 17 giờ 30 phút 60

Hình 4.23 Độ sâu ngập tại nút H5 từ thời điểm 16 giờ 50 phút đến 17 giờ 50 phút 60

Hình 4.24 Biểu đồ các lượng mưa thiết kế (kịch bản 2) 63

Hình 4.25 Bản đồ độ sâu ngập tại thời điểm 17 giờ 50 phút (kịch bản 2) 64

Hình 4.26 Bản đồ độ sâu ngập tại thời điểm 18 giờ 50 phút (kịch bản 2) 66

Hình 4.27 Bản đồ độ sâu ngập tại thời điểm 21 giờ 50 phút (kịch bản 2) 68

Hình 4.28 Giá trị vận tốc dòng chảy lớn nhất trên lưu vực 68

Hình 4.29 Trường vận tốc tuyến đường Khánh Hội lúc 16 giờ 40 phút 69

Hình 4.30 Trường vận tốc tuyến đường Bến Vân Đồn lúc 16 giờ 40 phút 69

Hình 4.31 Trường vận tốc tuyến đường Tôn Thất Thuyết lúc 16 giờ 40 phút 70

Hình 4.32 Diễn biến mực nước hố ga tại một số vị trí (kịch bản 2) 72

Hình 4.33 Diễn biến lưu lượng trong cống tại một số vị trí (kịch bản 2) 74

Hình 4.34 Biểu đồ độ sâu ngập nút H5 tại các thời điểm 75

Hình 4.35 Biểu đồ độ sâu ngập nút H3 tại các thời điểm 76

Hình 4.36 Biểu đồ các lượng mưa tính toán (kịch bản 3) 79

Hình 4.37 Biểu đồ triều thiết kế (kịch bản 3) 81

Hình 4.38 Bản đồ độ sâu ngập lúc 17h 50 phút (kịch bản 3) 83

X

Hình 4.39 Bản đồ độ sâu ngập lúc 18h 50 phút (kịch bản 3) 86

Hình 4.40 Bản đồ độ sâu ngập lúc 21 giờ 50 phút (kịch bản 3 89

Hình 4.41 Biểu đồ độ sâu ngập theo tổ hợp giá trị mưa - triều tại nút H5 91

Hình 4.42 Biểu đồ độ sâu ngập theo tổ hợp giá trị mưa - triều tại nút H3 92

Hình 4.43 Trường vận tốc trên đường Nguyễn Tất Thành lúc 16 giờ 40 phút 92

Hình 4.44 Trường vận tốc trên đường Tôn Thất Thuyết lúc 16 giờ 40 phút 92

Hình 4.45 Trường vận tốc trên đường Bến Vân Đồn 16 giờ 40 phút 93

Hình 4.46 Giá trị vận tốc dòng chảy lớn nhất trong lưu vực 93

Hình 4.47 Diễn biến mực nước hố ga tại một số vị trí (kịch bản 3) 95

Hình 4.48 Diễn biến lưu lượng trong cống tại một số vị trí (kịch bản 3) 97

Hình 5.1 Cống kiểm soát triều Bến Nghé 98

Hình 5.2 Hồ điều tiết bằng công nghệ Cross Wave 99

Hình 5.3 Công viên hồ điều hòa Nam Cường (Hà Nội) 100

Hình 5.4 Công viên hồ điều hòa Nhân Chính (Hà Nội) 100

Hình 5.5 Bản đồ Quy hoạch tổng mặt bằng sử dụng đất đến năm 2020 quận 4 101 Hình 5.6 Hình ảnh rạch Dừa hiện hữu 102

Hình 5.7 Mô phỏng mô hình tính toán trường hợp có hồ điều tiết Khánh Hội 102

Hình 5.8 Bản đồ ngập tại thời điểm 17 giờ 50 phút 105

Hình 5 9 Bản đồ độ sâu ngập lúc 18 giờ 50 phút 106

Hình 5.10 Biểu đồ độ sâu ngập tại một số nút lúc 18 giờ 50 phút 108

Hình 5.11 Giá trị vận tốc dòng chảy tính toán trên lưu vực 109

Hình 5.12 Trường vận tốc trên đường Nguyễn Tất Thành lúc 16 giờ 30 phút 110

Hình 5.13 Trường vận tốc trên đường Tôn Thất Thuyết lúc 16 giờ 30 phút 110

Hình 5.14 Trường vận tốc trên đường Đoàn Văn Bơ lúc 16 giờ 30 phút 110

Trang 1

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ:

lượng khách vãng lai, khoảng 10 triệu người là TP đông dân nhất và là trung tâm văn hóa, giáo dục, truyền thông, dịch vụ, quan trọng, đặc biệt là vai trò đầu tàu kinh tế của cả nước Tuy vậy, TP HCM đang phải đối diện với những vấn đề của một đô thị lớn có dân số tăng nhanh, trong số đó vấn đề ngập lụt trong nội thành đang ở mức báo động cao, không những xảy ra trong mùa mưa và còn cả trong mùa khô

Do đặc điểm địa lý và địa hình, TP HCM chịu ảnh hường đồng thời của 3 yếu tố là mưa trong khu vực, lũ xả từ các hồ chứa Dầu Tiếng trên sông Sài Gòn và Trị An trên sông Đồng Nai, cũng như triều biển Đông Ngoài ra tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng làm cho vấn đề ngập lụt của TP HCM càng ngày càng trầm trọng hơn, việc phải tìm ra các biện pháp giải quyết hiệu quả càng trở nên cấp bách

Đã có khá nhiều đề tài nghiên cứu và dự án (gọi tắt là NC) nhằm giải quyết tình trạng ngập lụt này, từ những NC mang tính cục bộ trên qui mô nhỏ đến những NC trên qui mô lớn cho toàn thành phố Sau đây là một số NC tiêu biểu trên qui mô lớn đã được thực hiện:

• Nghiên cứu hệ thống thoát nước mưa và nước thải đô thị TP HCM do Cơ quan hợp tác quốc tế của Nhật (JICA) thực hiện từ cuối những năm 1990 Đến năm 2001 thì “Quy hoạch

tổng thể thoát nước TP HCM đến năm 2020” ra đời và được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt

theo Quyết định số 752/QĐ-TTg ngày 19/06/2001 (thường được gọi tắt là dự án 752) [1]

• Nghiên cứu Quy hoạch thủy lợi chống ngập ủng cho TP HCM của Tổ công tác chống

ngập - Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (Bộ NN &PTNT) và đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt theo Quyết định số 1547/QĐ-TTg ký ngày 28/10/2008 (thường được gọi tắt là

dự án 1547) [2],

• Gần đây, một đề tài cấp Nhà nước “Nghiên cứu đề xuất các giải pháp chổng ngập cho

TP HCM” đã được Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam thực hiện (12/2007- 12/2010) Đề tài

này đã đạt được một số kết quả, trong đó có việc định hướng phát triển hồ điểu hòa cho toàn

thành pho và các giải pháp tiêu thoát nước cho các tiểu vùng [3]

• Trong nỗ lực đi tìm kiếm một giải pháp giải quyết triệt để vấn đề ngập úng do tổ hợp tác động của lũ thượng nguồn, mưa lớn và triều cường cho Tp Hồ Chí Minh, Bộ NN & PTNT đã

đề xuất ý tưởng dự án đê biển Vũng Tàu - Gò Công với các thành phần chính bao gồm: (i) Tuyến

đê chính dài 28 km nối Gò Công đến cách Vũng Tàu 5 km sau đó nối với cần Giờ bằng tuyến

đê phụ 13 km; (ii) cống Lòng Tàu; (iii) Các đập ngăn cửa sông Đồng Tranh và các sông kênh dọc phía Bắc (bờ tả) sông Soài Rạp

Nhằm cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc đánh giá tính khả thi của dự án, Bộ

Khoa học và Công nghệ đã cho triển khai thực hiện nhóm đề tài "Nghiên cứu xác lập cơ sở khoa

học và thực tiễn cho việc xây dựng tuyến đê biển đa mục tiêu Vũng Tàu - Gò Công", gồm 06 đề

tài thành phần, trong đó đề tài số 2 "Nghiên cứu biến động của chế độ thủy thạch động lực vùng

Trang 2

cửa sông ven biển chịu tác động của Dự án đê biển Vũng Tàu - Gò Công" do Viện Khoa học

Thủy lợi miền Nam thực hiện (10/2011-10/2014) [4] Cũng như dự án 1547, dự án này có vốn đầu tư lớn (khái toán khoảng 30.000 tỉ đồng tính theo thời giá 2010)

• Trung tâm điều hành chương trình chống ngập nước TP HCM (SCFC) đã lập dự án xây dựng 103 hồ điều tiết (hở, ngầm) phân tán với tổng diện tích khoảng 875 ha Theo dự án, hồ điều tiết phân tán sẽ chia thành bốn cấp nhằm mục đích trữ nước mưa trước khi xả vào hệ thống cống thoát nước chung [5]:

(ii) cấp hai là những hồ nước vài ngàn mét vuông trong các khu công nghiệp, khu đô thị (iii) cấp ba là những hồ nước nhỏ tại nơi công cộng như công viên, trường học, bệnh viện, vỉa

hè, dải phân cách đường giao thông

(iv) cấp bốn là những hồ điều tiết trong nhà của mỗi hộ dân (gọi tắt là hồ tại gia)

Hiện nay, nước mưa từ nhà dân chảy thẳng ra đường hoặc hẻm, sau đó xuống cống nhỏ rồi

ra cống lớn Nếu mưa lớn, hệ thống cống quá tải, nước không thoát kịp sẽ gây ngập đường, ngập hẻm và khu dân cư

Khi có hệ thống hồ điều tiết này, nước mưa từ nhà dân, trường học, bệnh viện sẽ được giữ lại trong các hồ, làm giảm lượng nước mưa đổ về hệ thống cống thoát nước, áp lực lên hệ thống cống chính sẽ nhẹ đi, không gây ngập lúc trời mưa to

Khi trời hết mưa, cột nước ở các cống nhỏ hơn trong hồ thì nước từ các hồ này từ từ thoát

ra cống Nếu người dân muốn dùng nước mưa này để tưới cây, rửa xe, rửa nhà thì đóng van xả

ra hệ thống cống chung

Tuy nhiên ý tưởng giảm ngập bằng cách làm hồ tại gia bị phần lớn người dân không đồng

tình với lý do là nhà cửa ở TP HCM thuộc dạng nhà phố đã được xây dựng từ lâu với diện tích chật hẹp, khó có đủ mặt bằng để cải tạo và làm “hồ tại gia”, nên phương án này khó khả thi [6]

TP HCM đang có kế hoạch xây dựng trong những năm tới ba hồ điều tiết là hồ Bàu Cát (quận Tân Bình) có diện tích 0,4 ha, hồ Khánh Hội (quận 4) có diện tích 4,8 ha và hồ Gò Dưa (quận Thủ Đức) có diện tích 24 ha với tổng vốn đầu tư khoảng 1000 tỉ đồng [7]

Trong luận vãn này, quận 4 thuộc TP HCM, có thể được xem là mật lưu vực độc lập, sẽ được chọn là nơi áp dụng phần mềm PCSWMM 2019 để nghiên cứu bài toán thoát nước mưa (bao gồm hệ thống cống ngầm hiện có, hệ thống sông kênh chịu ảnh hưởng triều bao quanh và

sự cần thiết / không cần thiết xây dựng hồ điều tiết Khánh Hội như nói trên)

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

1.2.1 Mục tiêu chung

Đánh giá và phân tích hiện trạng năng lực tiêu thoát nước của mạng lưới hệ thống cống thoát nước thành phố Hồ Chí Minh dưới ảnh hưởng của mưa và triều cường trong tình hình hiện nay

Trang 3

1.2.2 Mục tiêu cụ thể

Nghiên cứu ứng dụng mô hình thủy lực PCSWMM 2019 vào bài toán thoát nước mưa cho lưu vực quận 4 (TP HCM) với một số kịch bản về mưa và triều, từ đó:

1.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Để đạt được các mục đích của đề tài, các nội dung đề tài sẽ thực hiện gồm:

- Tổng quan về lưu vực nghiên cứu: điều kiện tự nhiên (địa hình, khí tượng, thủy văn, địa chất), hệ thống kênh rạch và cống thoát nước hiện hữu; hiện trạng mưa và ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đối với ngập lụt đô thị

- Cơ sở lý thuyết và thiết lập mô hình: giới thiệu phần lý thuyết của mô hình PCSWMM 2019; thiết lập mô hình thủy lực PCSWMM 2019 của lưu vực quận 4 để mô phỏng chế độ thuỷ lực trong lưu vực với một số kịch bản về mưa và triều

- Phân tích và đánh giá kết quả các kịch bản tính toán

- Nghiên cứu sự cần thiết / không cần thiết xây dựng hồ điều tiết Khánh Hội trong lưu vực quận 4

1.5 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

Từ các kết quả tính toán được của đề tài áp dụng cho một lưu vực cụ thể, nếu tiếp tục thực hiện với các lưu vực còn lại trên địa bàn thành phố thì có thể đề xuất được các phương

Trang 4

hướng kiểm soát, ứng phó cũng như các giải pháp chống ngập lụt lâu dài và bền vững cho thành phố

1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Luận văn sẽ dùng chủ yếu là phương pháp toán số để tính toán mô phỏng dòng chảy trong hệ thống cống ngầm và hệ thống sông kênh trong những điều kiện mưa và triều khác nhau

1.7 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VÀ NGOÀI NƯỚC

1.7.1 Các nghiên cứu trong nước

Một số nghiên cứu về sự phụ thuộc của khả năng tiêu thoát nước vào hệ thống thoát nước thông qua các mô hình đã được thực hiện, có thể kể ra vài nghiên cứu sau:

Tạ Thanh Lan (2014) [8] đã nghiên cứu mô phỏng khả năng thoát nước đô thị một phần

lưu vực quận 8, thành phố Hồ Chí Minh Tác giả đã xây dựng cơ sở dữ liệu GIS mạng lưới thoát nước cho một lưu vực điển hình thuộc quận 8, Tp HCM, từ đó ứng dụng phần mềm PCSWMM nghiên cứu sự phụ thuộc của khả năng tiêu thoát nước vào hệ thống thoát nước, độ che phủ lớp thảm thực vật Ket quả từ mô hình được kiểm định với số liệu quan trắc thực tế

Nguyễn Đăng Tinh, Nguyễn Quốc Thái (2014) Ị9J cũng đã nghiên cứu mô phỏng ngập

lụt đô thị khu vực trung tâm thành phố Hồ Chí Minh Các tác giả đã sử dụng mô hình Mike Flood để phục vụ tính toán nhằm tìm ra các nguyên nhân gây ngập lụt từ đó đề xuất các phương

án giảm ngập phù hợp

Công ty Tư vấn CDM Camp Dresser và Mc Kee International (1999) [10] đã thực hiện

nghiên cứu khả thi và thiết kế sơ bộ dự án thoát nước lưu vực Nhiêu Lộc - Thị Nghè Nghiên cứu đã sử dụng mô hình thủy lực SWMM trong tính toán, một số mục tiêu đạt được là xác định khả năng tiêu thoát nước, xác định các khu vực cần xây mới hoặc mở rộng cống thoát nước mưa

để giảm tình trạng ngập lụt, tính toán lưu lượng cần tiêu trong kênh và các chi lưu của nó để xác định các vị trí kênh cần được cải tạo, nạo vét để giảm thiểu tình trạng tràn bờ và hệ thống thu gom nước thải nhằm cải thiện tình trạng môi trường, tạo cảnh quan đô thị Bên cạnh đó nghiên cứu cũng đã đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp hệ thống thoát trên lưu vực Nhiêu Lộc - Thị Nghè

Lê Song Giang cùng cộng sự [11] đã thực hiện đề tài Nghiên cứu đề xuất lựa chọn chiến

lược quản lý ngập lụt thích hợp trên cơ sở các dự án đã, đang và dự kiến triển khai tại Tp Hồ Chí Minh Một số nội dung được thực hiện trong đề tài gồm có: xây dựng được bộ cơ sở dữ liệu cho phân tích rủi ro ngập lụt khi xảy ra mưa, triều, lũ với các phương án phát triển các công trình chống ngập khác nhau; phân tích rủi ro ngập lụt bao gồm mô hình tần suất xảy ra các tổ hợp lượng mưa - mực nước sông tại Phú An hiện tại và dự báo tới 2025 và 2050; phân vùng Tp.HCM theo 7 loại đối tượng chịu tác động ngập lụt và xác định tiêu chí so sánh các phương

án chống ngập; xây dựng một mô hình thủy lực tích hợp cho phép tính toán mô phỏng các kịch bản ngập lụt thành phố dưới tác động tổng hợp của mưa, triều và lũ hiện tại cũng như trong tương lai; Sử dụng mô hình, đề tài đã phân tích nguy cơ và rủi ro do ngập của Tp.HCM hiện tại

và dự báo tới 2025 và đánh giá khả năng chống ngập của 3 giải pháp do các tác giả khác nhau

Trang 5

đề xuất là Dự án 1547, đề xuất bảo vệ theo đường vành đai III và đề xuất bao nhỏ Ngoài ra đề tài đã đề ra giải pháp bổ trợ là làm hồ điều tiết tại cần Giờ mà trong ngắn hạn có thể giúp giảm ngập ở Tp.HCM và trong dài hạn giúp giảm tác động bất lợi gia tăng mực nước sông khi bất cứ

đề xuất nào được triển khai

về hồ điều tiết, ở trong nước chỉ mới có vài nghiên cứu liên quan của L Sâm và nnk [12], của L V Quân và N T Anh [13], của H T Đức và nnk [14]

1.7.2 Các nghiên cứu ngoài nước

Các nghiên cứu phân tích về ngập lụt sử dụng các phần mềm tính toán thoát nước đã được thực hiện nhiều trên thế giới, một số nghiên cứu cụ thể như sau:

s.Selvalingam, S.Y.Liong and P.C.Manoharan [15] đã sử dụng mô hình RORB và

SWMM để tính toán cho một lưu vực đô thị ở Singapore Dữ liệu sử dụng trong mô hình sau đó

đã được hiệu chỉnh và sử dụng tính toán cho một sự kiện thực tế Các giới hạn và điều kiện ràng buộc trong ước tính các thông số tính toán cũng được trình bày Nghiên cứu cũng so sánh các kết quả tính toán dòng chảy mặt của mô hình RORB và mô hình SWMM, từ đó cho thấy rằng

cả hai mô hình có thể kết hợp chặt chẽ mà không có trở ngại gì trong việc mô phỏng hệ thống thoát nước tại Singapore

M.H Hsu, S.H Chen, T.J Chang [16] đã sử dụng một mô hình ngập lụt đô thị được

phát triển từ sự kết hợp của mô hình SWMM, mô hình dòng chảy trên mặt đất khếch tán hai chiều và quá trình vận hành của các trạm bơm để mô phỏng ngập lụt trong lưu vực đô thị do sự quá tải của hệ thống thoát nước và các trạm bơm tại cửa xả Dòng chảy trong lưu vực đô thị nghiên cứu được biểu thị bởi hai yếu tố đó là dòng chảy trong cống thoát nước mưa và sự quá tải gây ngập lụt SWMM được dùng để giải bài toán dòng chảy cống thoát nước mưa và cung cấp các biểu đồ dòng chảy tràn của dòng chảy mặt vượt quá khả năng thoát nước của hệ thống cống thoát nước mưa Mô hình dòng chảy tràn trên mặt đất khếch tán hai chiều xem xét phương trình không quán tính với phương pháp ADE, sau đó được dùng để tính toán chi tiết các vùng ngập lụt và độ sâu ngập do nước tràn trên bề mặt Việc thoát nước bằng các trạm bơm tại cửa

xả của hệ thống cống thoát nước mưa cũng được xem xét Các thông số của mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định bởi các trận mưa riêng biệt Qua đó cho thấy mô hình kết hợp này phù hợp

để phân tích ngập lụt trên các lưu vực đô thị do tràn cống và do sự cố của các trạm bơm Các kết quả mô phỏng có thể được ứng dụng để thiết lập các biện pháp giảm thiểu ngập lụt

Y.s Liew, z Seỉamat, A Ab Ghanỉb and N.A Zakaria [17] đã thực hiện nghiên cứu về

hiệu quả của một hồ trữ nước tại Kota Damansara, Selangor, Malaysia bằng cách sử dụng mô hình cs để đánh giá Dữ liệu về thủy văn và thủy lực được thu thập để hiệu chỉnh và kiểm định

mô hình Kết quả nghiên cứu cho thấy các hồ trữ nước khô có thể đạt được các mục tiêu thiết

kế của nó, đáp ứng cho dòng chảy do mưa chu kỳ 100 năm hoặc các trận mưa với yêu cầu thiết

kế trong Hướng dẫn quản lý nước mưa đô thị cho Malaysia (MSMA) cho các hệ thống nước mưa đô thị chủ yếu

Wenjie Chen, Guoru Huang and Han Zhang [18] đã thực hiện mô phỏng ngập lụt thoát

và hai kịch bản kiểm định mô hình Qua việc so sánh với kết quả khảo sát đo đạc và kết quả của

mô hình InfoWorks, mô hình dòng chảy tràn khuếch tán đã dự đoán chính xác mức độ ngập lụt

và cho kết quả độ sâu ngập hợp lý Ngoài ra khi so sánh với mô hình InfoWorks, mô hình khuếch tán thiếu nền thủy lực và là một mô hình đơn hướng, tuy nhiên khi so sánh với các mô hình đã được đơn giản hóa khác thì mô hình này có ưu thế là có thể tính toán hệ thống thoát nước ngầm

và điều kiện biên

Trang 7

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU LƯU VỰC TÍNH TOÁN

2.1.1 Vị trí địa lý

Quận 4 cố hình dạng nhu một cù lao tam giác, xung quanh đều là sông và kênh rạch

Diện tích Quận 4 ngày nay gần 4,2 km2, được tổ chức gồm 15 phường từ Phường 1 đến Phường 18 (trong đó 3 phường đã được sáp nhập lại trong quá trình quy hoạch không còn địa danh là Phường 7; 11 và 17) Dân số Quận 4 hiện nay gần 200.000 người; có 95,43% người Việt, 3,9% người Hoa và còn lại một số rất ít là người dân tộc Khơme, Chăm, Ấn đang sinh sổng trên địa bàn

để tính toán, áp dụng các biện pháp kháng chấn nhằm bảo đảm độ an toàn về tài sản cũng như về con người

Số liệu khảo sát địa chất công trình của 01 hố khoan có độ sâu 50m trên đường Nguyễn Tất Thành, Quận 4, Tp Hố Chí Minh gồm các lớp với đặc điểm như sau:

Lớp k: Xà bần san lấp, độ sâu l,6m

Lớp 1: Bùn sét, màu xám đen - xám xanh, hạng thái chảy, độ sâu 1 l,4m

Lớp 2: Sét, màu xám trắng đốm nâu vàng, hạng thái dẻo mềm, độ sâu 2m

Lớp 3: Sét lẫn dăm kết, màu xám xanh loang nâu vàng - nâu đỏ, hạng thái nửa cứng, độ sâu 7.6m

Lớp 4: Sét, màu xám đen, trạng thái dẻo cứng, độ sâu 6,4m

Lớp 5: Cát pha lẫn sạn sỏi thạch anh, màu nâu đỏ - nâu vàng - xám trắng - xám hồng - xám vàng, độ sâu 6m

Lớp 6: Sét, màu nâu đỏ, trạng thái nửa cứng, độ sâu 15m

2.1.4 Đặc điểm khí hậu:

Khu vục nghiên cứu đuợc đo bởi trạm khí tuợng Tân Sơn Nhất đuợc xây dụng từ những năm đầu của thế kỷ 20, đến nay đã gần 100 năm Đây là trạm cơ bản và quan trọng nhất trong khu vục Nam Bộ Tài liệu mua trạm Tân Sơn Nhất đuợc xem là có chất luợng tốt và đáng tin cậy Các

Bảng 2.1 Thống kê nhiệt độ trung bình các tháng trong năm trạm Tân Sơn Nhất (°C)

Độ ẩm không khí: Độ ẩm biến thiên nghịch biến với nhiệt độ Mùa mua độ ẩm tuông đối cao, độ ẩm trung bình 80 4- 86% Mùa khô, độ ẩm bé hơn, độ ẩm trung bình 714- 77% Tháng IX

có độ ẩm trung bình cao nhất 86% Tháng II, in có độ ẩm trung bình thấp nhất 71% Chênh lệch độ

ẩm trung bình giữa các tháng khoảng 15% Độ ẩm không khí có thời điểm xuống tới 20% và cũng

có lúc đạt 100%

Bảng 2.2 Thống kê độ ẩm trung bình UTB các tháng, trạm Tân Sơn Nhất (%)

Luợng bốc hơi: Do nền nhiệt độ cao và tuơng đối ổn định nên luợng bốc hơi cũng tuơng đối lớn và ổn định, tập trung phần lớn vào các tháng mùa khô và nghịch biến với độ ẩm

Bảng 2.3 Bốc hơi trung bình (ETB) các thảng, trạm Tân Sơn Nhẩt(mm)

Lượng mưa: Tình hình mưa khu vực thành phố có đặc điểm khí hậu vùng nhiệt đới gió mùa cận xích đạo Lượng mưa phân bố không đều theo không gian và thời gian

Theo thời gian trong năm có 2 mùa rõ rệt:

+ Mùa khô: từ tháng XI đến tháng IV năm sau Tổng lượng mưa mùa khô chỉ chiếm khoảng 10

- 20% tổng lượng mưa năm Các tháng I, II, III hầu như không mưa

+ Mùa mưa: từ tháng V đến tháng X Tổng lượng mưa mùa mưa chiếm đến 90% tổng lượng mưa năm

+ Mưa thường tập trung trong các tháng mùa mưa, có 2 cực đại vào tháng VI và tháng IX (R >

300 mm)

Bảng 2.4 Phân phối mưa các thảng trong năm trạm Tân Sơn Nhẩt (mm)

Trang

10

2.1.5 Điều kiện kinh tế, văn hóa xã hội

Quận 4 là quận nội thành, có diện tích tự nhiên gần 4,2km2, nằm phía Nam thành phố Hồ Chí Minh, với ba bề sông nước (sông Sài Gòn, rạch Bến Nghé và Kênh Tẻ) Những năm gần đây,

sự phát triển hệ thống giao thông, trong đó có 7 cây cầu hiện đại và tương lai còn xây dựng nhiều cầu mới đã, đang và sẽ giúp quận 4 kết nối với:

+ Quận 1 và quận 5: trung tâm hiện hữu thành phố Đồng thời cũng là trung tâm kinh tế, văn hóa - xã hội, trung tâm tài chính

+ Quận 7 - Khu đô thị mới Phú Mỹ Hưng - Nam Sài gòn với sự phát triển kinh tế dịch vụ phong phú đầy hứa hẹn trong tương lai

+ Quận 2 - Khu đô thị mới Thủ Thiêm và là trung tâm tài chính trong tương lai

+ Quận 8 - một địa phương cũng không ngừng đổi mới và phát triển

Sự kết nối ấy đã phá vỡ thế cô lập lâu nay của quận Với vị trí địa lý đặc thù đó tạo điều kiện

để quận 4 giao lưu và đi lên cùng với sự phát triển của thành phố, tạo cho quận 4 nhiều tiềm năng phát triển kinh tế, đặc biệt là kinh tế dịch vụ như các loại hình: cao ốc văn phòng cho thuê; tài chính

- ngân hàng; Dịch vụ thương mại; Dịch vụ cảng; Dịch vụ du lịch - khách sạn - nhà hàng - vui chơi giải trí và một số ngành nghề sản xuất truyền thống của quận

2.1.6 Chế độ thủy văn

Quận 4 được tạo bởi ba mặt sông là: sông Sài Gòn (dài 2.300 m) về phía Đông bắc, tiếp giáp Quận 2; rạch Bến Nghé (dài 3.250 m) về phía Tây bắc, tiếp giáp Quận 5; kênh Tẻ (dài 4.400 m), tiếp giáp Quận 7

Chế độ thủy triều chịu ảnh hưởng trực tiếp của quá trình triều trên sông Sài Gòn với chế độ bán nhật triều không đều Một ngày có hai chân và hai đỉnh xấp xỉ nhau, nhưng hai chân chênh lệch nhau khá lớn Thời gian của 1 con triều khoảng 244-25 giờ Trong tháng có 2 chu kỳ triều, mỗi chu

kỳ kéo dài khoảng 15 ngày Trong 1 chu kỳ có các thời kỳ nước cường, trung bình và thời kỳ nước kém với thời gian từ 4 4-5 ngày/kỳ triều Kỳ nước cường là kỳ triều mực nước lên cao nhất cũng như xuống thấp nhất, xuất hiện vào các ngày 16, 17, 2 và 3 (âm lịch) Ngoài ra, quá trình triều còn chịu ảnh hưởng của mưa trên lưu vực, do đó khi triều cường kết hợp với mưa lớn thì ngập lụt càng trở nên nghiêm trọng

Số liệu mực nước được thu thập từ trạm đặt ở các sông chảy qua và xung quanh khu vực: Phú An, Nhà Bè, Thủ Dầu Một, Biên Hòa và trạm Bến Lức

Dòng chảy biến đổi không đều trong năm và phụ thuộc chế độ mưa, các tháng mùa khô mưa

ít nên lưu lượng giảm, đặc biệt là các tháng cuối mùa khô (tháng IV) lưu lượng dòng chảy đạt đến giá trị nhỏ nhất; ngược lại các tháng mùa mưa lưu lượng được tăng cao và đạt cực đại vào tháng IX hoặc tháng X

Ngập lụt gây ra các thiệt hại trực tiếp và gián tiếp ảnh hưởng đến các hộ dân, các cơ sở thương mại, công nghiệp, cơ quan trong khu vực

Thiệt hại trực tiếp tác động đến khu vực bao gồm các thiệt hại về công trình (nhà ở, các cơ

sở thương mại, công nghiệp, cơ quan), thiệt hại về tài sản trong các công trình trên (bàn ghế, hàng hóa, và vật liệu trong các công trình), thiệt hại về các công trình công cộng (đường giao thông)

Thiệt hại gián tiếp tác động đến khu vực có thể kể đến là các thiệt hại do việc đình trệ các hoạt động kinh doanh: khi úng ngập xảy ra, những người buôn bán nhỏ ở các khu vực bị ngập sẽ bị đình trệ công việc làm ăn Những thiệt hại bao gồm thiệt hại trực tiếp đến hàng hoá và những thiệt hại về lợi nhuận dự kiến do đình trệ công việc; thiệt hại về thu nhập của công nhân: do ngập úng người công nhân không thể đến nơi làm việc, vì thế thu nhập bị giảm trong khi cơ sở, văn phòng vẫn phải trả lương cho công nhân nhưng không có năng suất; chi phí cho y tế tăng do nguồn nước bị ô nhiễm sau ngập lụt

2.2.1 Các nguyên nhân khách quan

2.2.1.1 Mực nước triều cường trên hệ thống sông rạch

Trong thời gian qua, mực nước của sông Sài Gòn và sông Đồng Nai gia tăng một cách đáng

kể, đây được coi là một trong những nguyên nhân cơ bản gây nên tình trạng ngập nước ở Thành phố

Hồ Chí Minh Theo Hồ Long Phi (2010), các yếu tố khiến mực nước trên các sông này gia tăng được nhận định như sau:

- Mực nước biển dâng do biến đổi khí hậu; tuy nhiên, tốc độ dâng cao hàng năm của mực nước biển đo tại Vũng Tàu trong vài thập niên qua chỉ vào khoảng 0,5 cm, bằng khoảng 1/3 tốc độ dâng cao của mực nước sông Sài Gòn đo tại trạm Phú An ;

- Gần đây, trong lưu vực sông Sài Gòn và sông Đồng Nai, nhiều khu vực trũng thấp có khả năng điều tiết nước đă bị san lấp và phần lớn diện tích đất nông nghiệp đă được bảo vệ

Trang

12

bằng đê bao; do đó, một lượng nước đáng kể bị dồn ra sông Sài Gòn và Đồng Nai;

- Lòng sông Sài Gòn và sông Đồng Nai đă bị thu hẹp do bồi lắng và lấn chiếm

Hình 2.3 Kết quả quan trắc mực nước tại sông Sài Gòn (trạm Phú An) và tại biển Vũng Tàu giaỉ đoạn 2005-2013 (Nguồn: Viện Nghiên cứu phát triển Thành phố Hồ Chí Minh )

2.2.1.2 Lượng mưa gia tăng trong những năm gần đây

- Các số liệu về lượng mưa tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh trong thời gian gần đây cho thấy diễn tiến gia tăng lượng mưa; đồng thời, những trận mưa có vũ lượng lớn xuất hiện ngày càng thường xuyên hơn

- Theo báo cáo mới đây của Trung tâm Điều hành Chương trình chống ngập nước Thành phố Hồ Chí Minh, trên địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh, trong vòng 40 năm (giai đoạn 1962 - 2001), chỉ có 9 trận mưa có vũ lượng trên 100 mm; tuy nhiên, từ năm 2002 đến năm 2014, đã có 29 trận mưa có vũ lượng trên 100mm (chỉ riêng từ năm 2011 đến năm 2014 đã có 12 trận mưa có vũ lượng trên 100mm) Trong khi đỗ, hệ thống điều tiết nước và thoát nước vẫn chưa đủ khả năng đối phố với những ừận mưa có vũ lượng từ 40 mm ừở lên, do đó, nhiều điểm ngập nước xuất hiện, ngay cả khi nước triều đang ở mức thấp

2.2.2.2 Hệ thống cổng thoát nước hiện hữu

Hệ thống cống thoát nước hiện hữu trong khu vực hiện nay chưa đáp ứng nhu cầu phát triển

đô thị

Hệ thống thoát nước khu vực bao gồm các hệ thống cống tròn có đường kính từ 0600 đến

Trang

14

01500, cống hộp kích thước 2m X 2m, 2,2m X 2,2m và cống vòm với các kích thước 0,8m X 1,4m,

lm X lm, 1,2m X 1,2m, 1,5m X l,5m Một số tuyến cống đã được xây từ rất lâu và nay đã bị hư hỏng, xuống cấp Một số tuyến cống thiết kế đáp ứng điều kiện về lượng mưa và đỉnh triều theo Quy hoạch tổng thể hệ thống thoát nước thành phố Hồ Chí Minh đến năm 2020, thì nay không đủ khả năng tiêu thoát nước do biến đổi khí hậu gây ra mưa và triều vượt yêu cầu thiết kế

2.2.23 Ỷ thức người dân

Ý thức của một bộ phận người dân còn kém về việc xả rác trên mặt đường, tại các miệng hố

ga thoát nước dẫn đến khi có mưa lớn, lượng rác này trôi vào các miệng hố ga gây nghẹt cống và ngập nước cục bộ Một số hộ dân sống ven kênh rạch còn xem kênh rạch là nơi để bỏ rác, xả rác bữa bãi gây ách tắc và tắc nghẽn dòng chảy

Trang

15

CHƯƠNG 3: cơ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT LẬP MÔ HÌNH

3.1 Cơ SỞ LựA CHỌN MÔ HÌNH TÍNH TOÁN THOÁT NƯỚC MƯA

Hiện nay có rất nhiều mô hình toán thủy văn thủy lực đã được sử dụng để nghiên cứu

và tính toán trong thực tế như họ mô hình MIKE (MIKE11, MIKE 21, MIKE FLOOD), STORM, TELEMAC, EPASWMM Một số đặc điểm chính của các mô hình như sau:

* Họ mô hình MIKE

Do Viện thủy lực Đan Mạch (DHI) xây dựng được tích hợp rất nhiều các công cụ mạnh,

có thể giải quyết các bài toán cơ bản trong lĩnh vực tài nguyên nước Tuy nhiên đây là mô hình thương mại, phí bản quyền rất cao nên không phải cơ quan hay cá nhân nào cũng có điều kiện

sử dụng

* Mô hình MIKE 11:

Là mô hình một chiều trên kênh hở, bãi ven sông, vùng ngập lũ, trên sông kênh có kết hợp mô phỏng các ô ruộng mà kết quả thuỷ lực trong các ô ruộng là “giả 2 chiều” MIKE 11 có một số ưu điểm nổi trội so với các mô hình khác như: (i) liên kết với GIS, (ii) kết nối với các

mô hình thành phần khác của bộ MIKE ví dụ như mô hình mưa rào-dòng chảy NAM, mô hình thuỷ động lực học 2 chiều MIKE 21, mô hình dòng chảy nước dưới đất, dòng chảy tràn bề mặt

và dòng bốc thoát hơi thảm phủ (MIKE SHE), (iii) tính toán chuyển tải chất khuếch tán, (iv) vận hành công trình, (v) tính toán quá trình phú dưỡng

Hệ phương trình sử dụng trong mô hình là hệ phương trình Saint-Venant một chiều không gian, với mục đích tìm quy luật diễn biến của mực nước và lưu lượng dọc theo chiều dài sông hoặc kênh dẫn và theo thời gian

Mô hình MIKE 11 đã được ứng dụng tính toán rộng rãi tại Việt Nam và trên phạm vi toàn thế giới Tuy nhiên MIKE 11 không có khả năng mô phỏng tràn bãi nên trong các bài toán ngập lụt MIKE 11 chưa mô phỏng một cách đầy đủ quá trình nước dâng từ sông tràn bãi vào ruộng và ngược lại Để cải thiện vấn đề này bộ mô hình MIKE có thêm mô hình thủy lực hai chiều MIKE 21 và bộ kết nối MIKE FLOOD

* MIKE 21 & MIKE FLOOD:

Là mô hình thuỷ động lực học dòng chảy 2 chiều trên vùng ngập lũ đã được ứng dụng tính toán rộng rãi tại Việt Nam và trên phạm vi toàn thế giới Mô hình MIKE21-HD là mô hình thuỷ động lực học mô phỏng mực nước và dòng chảy trên sông, vùng cửa sông, vịnh và ven biển Mô hình mô phỏng dòng chảy không ổn định hai chiều ngang đối với một lớp dòng chảy

MIKE21-HD có thể mô hình hóa dòng chảy tràn với nhiều điều kiện đuợc tính đến, bao gồm:

- Ngập và tiêu nuớc cho vùng tràn

- Tràn bờ

- Dòng qua công trình thuỷ lợi

Trang

16

- Thủy triều

- Nuớc dâng do bão

Tuy nhiên, MIKE 21 nếu độc lập cũng khó có thể mô phỏng tốt quá trình ngập lụt tại một lưu vực sông với các điều kiện ngập thấp Để có thể tận dụng tốt các ưu điểm và hạn chế những khuyết điểm của cả hai mô hình một chiều và hai chiều trên, DHI đã cho ra đời một công

cụ nhằm tích hợp (coupling) cả hai mô hình trên; đó là công cụ MIKE FLOOD

MIKE FLOOD là một công cụ tổng hợp cho việc nghiên cứu các ứng dụng về vùng bãi tràn và các nghiên cứu về dâng nước do mưa bão Ngoài ra, MIKE FLOOD còn có thể nghiên cứu về tiêu thoát nước đô thị, các hiện tượng vỡ đập, thiết kế công trình thuỷ lợi và ứng dụng tính toán cho các vùng cửa sông lớn

STORM (Storage, Treatment, Overflow, Runoff Model) là mô hình được xây dựng bởi những kỹ sư thủy lợi năm 1973 hợp đồng với trung tâm kỹ thuật thủy văn của hiệp hội kỹ sư quân đội Mỹ STORM được thiết kế để mô hình hóa những lưu vực đô thị chịu tác động mưa khả năng tính toán những tải và tập trung vào các tham số về chất lượng nước như chất lơ lững, bồi lắng, nhu cầu oxi, tổng nitrogen, photsphate và các trực khuẩn STORM cũng có khả năng tính xói bề mặt đất, định dung tích trữ và có những tiện ích để kiểm soát chất lượng và khối lượng dòng chảy mặt và xói bề mặt Mô hình mô phỏng liên tục nên cần dư liệu mưa từng giờ

để mô phỏng bảy thành phần sau: mưa, dòng chảy mặt, dòng chảy vào mùa khô, sự lắng đọng

và làm sạch chất ô nhiễm, xói bề mặt đất, tốc độ xử lý, khả năng trữ của hồ chứa Những chất bẩn, chất ô nhiểm được làm sạch từu lưu vực dòng chảy do mưa Dòng chảy mặt được đưa đến những nơi trữ và những nơi để xử lý đã được tính toán Dòng chảy mặt thừa được xử lý và tính toán sau đó, xem lượng nước thừa đó là lượng nước thải không được xử lý và trở thành dòng chảy quá tải dẫn vào nơi tiếp nhận

- Đặc điểm của mô hình: mô phỏng lưu vực đô thị chịu tác động bởi mưa

- Phạm vi hổ trợ của mô hình: Là môi trường tiếp nhận nước tốt

- Thế mạnh của mô hình: Tính toán những tải gây ô nhiễm và tập trung nhiều vào các vấn đề ô nhiễm, mô phỏng xói bề mặt đất, định kích cỡ chứa và những tiện ích xử lý

- Những hạn chế của mô hình: không linh hoạt trong việc xác định những tham số để kiểm định và quan sát những biểu đồ cần luợng dữ liệu lớn

Mô hình TELEMAC (Hervouet J-M, 2000) đuợc bắt đầu phát triển từ năm 1987 do Phòng Thí Nghiệm Thủy Lục và Môi Truờng Quốc Gia thuộc Trung tâm quốc gia nghiên cứu Thủy lục của tập đoàn Điện lục Pháp (EDF) dùng để mô phỏng dòng chảy 2D theo phuơng nằm ngang

Mô hình TELEMAC 2D đuợc lập trình bằng ngôn ngữ Fortran trong đó có thể lụa chọn phuơng pháp phần tử hữu hạn hoặc thể tích khối hữu hạn, miền tính toán đuợc rời rạc hóa bằng

Trang

17

lưới các phần tử tam giác không có cấu trúc (Hervouet JM, 2009) Đây là phần mềm đuợc lập trình theo kỹ thuật song song cho phép tăng tốc độ tính toán nhiều lần khi chuơng trình chạy trên những trung tâm máy tính có nhiều nhân xử lý (Nguyễn Thống & nnk, 2014) Tuy nhiên hạn chế của mô hình chỉ tính toán cho dòng chảy tràn trên bề mặt, bên cạnh đó cũng nhu các

mô hình khác là chua xác định đuợc độ tin cậy của bài toán Thông thuờng các số liệu đầu vào

và điều kiện biên sai ảnh huởng đến độ chính xác của kết quả tính toán

Mô hình toán SWMM (Storm Water Management Model) là mô hình động lục học mô phỏng mua - dòng chảy cho các khu vục đô thị cả về chất và luợng, và tính toán quá trình chảy tràn từ mỗi tiểu lưu vực 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 một hợp đồng kinh tế giữa trường Đại học Florida và tổ chức bảo vệ môi trường Hoa kỳ EPA (U.S Envữonment Protection Agency)

Mô hình EPASWMM là một 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 Tuy nhiên hạn chế của mô hình là chỉ mô phỏng dòng chảy 1 chiều, chưa mô phỏng sự lan truyền dòng chảy trong cống ra môi trường xung quanh trong trường hợp cống và hố ga bị ngập do triều và mưa

Mô hình PCSWMM 2019 là kết quả cải tiến của SWMM nên kế thừa tất cả các tính năng và thuật toán của mô hình tiêu chuẩn SWMM5 truyền thống, có hỗ trợ thêm tính năng liên kết dữ liệu định dạng GIS và khả năng đồng bộ hai chiều Việc mô hình hóa sẽ cho phép dùng các thuật toán để diễn giải số liệu ngay cả trong điều kiện thông tin đầu vào chưa phong phú, với PCSWMM 2019 được biết đến như một công cụ hữu hiệu giúp nhà quản lý, quy hoạch dự báo và nắm bắt kịch bản phát triển từ đó có thể đề xuất các nhóm giải pháp chống ngập lụt phù hợp dựa trên cách tiếp cận bền vững, (xem chi tiết tại mục 3.3)

* Co’ sở lựa chọn mô hình tính toán:

Mỗi một mô hình được trình bày ở trên đều có những thế mạnh riêng phục vụ cho các mục đích sử dụng khác nhau Từ đó căn cứ vào mục đích nghiên cứu, tính chất của một phần mềm thương mại có độ tin cậy cao đã được sử dụng ở rất nhiều nơi trên thế giới và mang lại nhiều kết quả rất tích cực, tác giả đã lựa chọn mô hình tính toán là PCSWMM 2019 phục vụ cho công tác nghiên cứu trong luận văn

Trang

18

3.2.1 Giới thiệu mô hình PCSWMM 2019

Phần mềm mô phỏng thủy lực PCSWMM (Personal Computer Storm Water Management Model) là mô hình động lực học mô phỏng mưa - dòng chảy khu vực đô thị về chất và lượng, với đầy đủ các tính năng, không giới hạn về kích thước mô hình cũng như độ phức tạp

PCSWMM bao gồm đầy đủ một hệ thống GIS, đáp ứng mô hình thoát nước đô thị, hỗ trợ hầu hết các hệ tọa độ, giao diện làm việc, thao tác truy vấn, cũng như hỗ trợ nguồn dữ liệu đầu vào định dạng GIS/CAD, là một phần mềm mới có nhiều tính năng nổi bật, tối ưu, phù hợp với hệ thống thoát nước chung như ở Thành phố Hồ Chí Minh, với đa dạng mô hình tính toán thủy văn, thủy lực kế thừa của EPA- SWMM, hỗ trợ hiển thị kết quả, trực quan, sinh động

Mô hình toán PCSWMM là kết quả cải tiến của SWMM nên kế thừa tất cả các tính năng

và thuật toán của mô hình tiêu chuẩn SWMM5 truyền thống, có hỗ trợ thêm tính năng liên kết

dữ liệu định dạng GIS và khả năng đồng bộ hai chiều

(Nguồn: http://www.chiwater.com/Software/PCSWMM/Details.asp)

3.2.2 Khả năng mô hình PCSWMM 2019

PCSWMM tính toán được nhiều quá trình thủy lực khác nhau tạo thành dòng chảy, bao gồm:

PCSWMM cũng chứa đựng một tập hợp các khả năng mô phỏng linh hoạt về thủy lực dòng chảy theo tuyến thông qua một hệ thống tiêu nuớc gồm nhiều thành phần: các đuờng ống, các kênh, các công trình trữ nuớc và xử lý nuớc, các công trình phân dòng Các thành phần này

có thể là:

thể là mặt cắt tiêu chuẩn hoặc phi tiêu chuẩn ở dạng tự nhiên

phân dòng, máy bơm, đập tràn và cống

mặt, dòng nuớc ngầm hòa trộn vào, dòng thấm hoặc dòng chảy vào phụ thuộc mua, dòng chảy nuớc thải (còn gọi là dòng chảy khi trời khô), và dòng chảy vào

do nguời sử dụng xác định

Trang

19

động lục học

chảy nguợc, sụ hình thành vũng ngập trên mặt đất

bơm, cánh của van của cống, cao độ nguỡng tràn,

Ngoài việc mô hình sụ hình thành và vận chuyển dòng chảy mặt, PCSWMM còn có khả năng tính toán đuợc sụ vận chuyển chất ô nhiễm có liên hệ với dòng chảy mặt Các quá trình sau đây có thể đuợc mô hình hóa cho một số phần tử chất luợng nuớc do nguời sử dụng xác định:

- Sụ rửa trôi chất ô nhiễm từ các loại đất dung riêng biệt trong suốt trận mua

do nguời sử dụng chỉ định tại điểm nào đó trong hệ thống tiêu

(Nguồn: Computational Hydraulic Insitute (CHI) PCSWMM 2016 - Spatial decision

support for urban drainage and watershed modeling.)

Trang

20

Mô hình PCSWMM 2019 là kết quả cải tiến của SWMM nên kế thừa tất cả các tính năng và thuật toán của mô hình tiêu chuẩn SWMM5 vì vậy mô hình này cũng gồm hai modun chính:

nhiễm trên các lưu vực

đường ống, kênh dẫn, các hồ điều hòa, trạm bơm, trạm xử lý của hệ thống tiêu thoát nước đô thị

3.3.1 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

PEF (t) = N (t) - VP (t) - F (t) - w (t) Trong đó:

PEF : Lượng mưa hiệu quả (mm)

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: