Mô phỏng các hạng mục phát triển tác động thấp cho hệ thống thoát nước mưa đô thị

Nội dung bài viết nhằm nhấn mạnh khả năng của các hạng mục phát triển tác động thấp (LID) phục vụ cho vấn đề thoát nước mưa đô thị tại Việt Nam. Thông qua phần mềm quản lý nước mưa SWMM, diễn biến mực nước trong hồ điều hòa và hiệu quả cải thiện chất lượng nước mưa chảy mặt của một số loại giải pháp điều hòa được đánh giá.

Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 1(32)-2017 MÔ PHỎNG CÁC HẠNG MỤC PHÁT TRIỂN TÁC ĐỘNG THẤP CHO HỆ THỐNG THỐT NƯỚC MƯA ĐƠ THỊ Hồ Tuấn Đức(1), Nguyễn Thu Hà(1) (1) Trường Đại học Bách Khoa (VNU-HCM) Ngày nhận 29/12/2016; Chấp nhận đăng 29/01/2017; Email: hotuanduc@hcmut.edu.vn Tóm tắt Nội dung báo nhằm nhấn mạnh khả hạng mục phát triển tác động thấp (LID) phục vụ cho vấn đề thoát nước mưa đô thị Việt Nam Thông qua phần mềm quản lý nước mưa SWMM, diễn biến mực nước hồ điều hòa hiệu cải thiện chất lượng nước mưa chảy mặt số loại giải pháp điều hòa đánh giá Kết thu hướng tới khả hỗ trợ việc lựa chọn thiết kế giải pháp giảm ngập cho khu đô thị xây dựng thiết kế hệ thống thoát nước mưa theo hướng phát triển bền vững cho khu đô thị Từ khóa: LID, nước mưa, hồ điều hòa, SWMM Abstract SIMULATION OF LOW-IMPACT-DEVELOPMENT PRACTICES IN URBAN STORMWATER SYSTEM This paper emphasizes the importance of low impact development (LID) practices in urban stormwater systems in Vietnam By means of the Storm Water Management Model, evolution of stage in retention pond and efficiency runoff quality of some LID facilities were evaluated These results support the selection of flood control solutions for current condition and the design of new drainage system in the vision of sustainable urban development Giới thiệu Việc nghiên cứu hệ thống nước mưa thị phát triển từ giải pháp đơn giản thoát nước nhanh việc tính tốn đỉnh lũ [2] kết hợp loại bỏ chất ô nhiễm [3] Sau đó, lo ngại từ việc thay đổi chế độ dòng chảy hệ thống thủy sinh học gây thị hóa ngày gia tăng (lượng dòng chảy tăng, giảm bốc thực vật bổ sung trữ lượng ngầm) Việc áp dụng hạng mục điều khiển hồ chứa hồ điều hòa, bố trí vùng ướt lưu vực thấm dần giải lo ngại Các thiết kế này, gọi chung "Phát triển tác động thấp" (LID), đáp ứng yêu cầu quản lý nước mưa đồng thời giữ đặc trưng thủy văn chất lượng nước gần với điều kiện trước diễn thị hóa Các hạng mục LID giúp làm giảm vùng không thấm thúc đẩy việc bổ sung lượng nước ngầm giảm lượng chảy mặt [1] Có nhiều nghiên cứu đánh giá lợi ích hạng mục LID hệ thống thoát nước cách so sánh lúc trước sau có bố trí hạng mục ([9], [14], [5]) Một hệ thống tổng hợp hạng mục LID khu vực riêng biệt cho thấy hiệu tích cực cho việc quản lý nguồn nước trường hợp mưa bão vòng 10 năm [4] Mặc dù vậy, hiệu 49 Hồ Tuấn Đức Mô hạng mục phát triển tác động thấp cho hệ thống hạng mục chủ đề tranh cãi nhiều nhà khoa học mơi trường nguy sức khỏe an toàn cộng đồng, khiến cho việc áp dụng hạng mục bị giới hạn nhiều quốc gia Một dạng phổ biến hạng mục quản lý nguồn nước hồ điều hòa Tại Việt Nam, hồ điều hòa quan tâm thực vài năm gần [7] Theo nghị phủ Tiêu chuẩn quốc gia thiết kế kỹ thuật sở hạ tầng, đô thị cấp vào cao hơn, việc thiết kế hệ thống thoát nước phải tính đến phương án thiết kế hồ điều hòa Mặc dù vậy, tiêu chuẩn đầy đủ cho thiết kế kỹ thuật hồ điều hòa chưa xây dựng Rất nhiều báo cáo ghi nhận tình trạng xây dựng bảo dưỡng sai cách, vấn đề ô nhiễm phú dưỡng chất thải rắn, hư hỏng xuống cấp nghiêm trọng… gây ảnh hưởng ngược lại đến điều kiện sống người sống gần hồ [6] Một hạng mục LID khác bê tông rỗng (vỉa hè rỗng: vỉa hè làm bê tông rỗng, cho phép nước thấm qua) dải cỏ (xem hình 1) Những hạng mục cho phép nước mưa thấm xuống lớp đất nguyên thổ bên lọc cách tự nhiên, thay chảy vào hệ thống nước mưa Ngồi lợi ích loại bỏ chất ô nhiễm, giảm nhiệt lượng từ mặt trời gia tăng trữ lượng ngầm, có số hạn chế độ rỗng thấp đất độ bền cơng trình, việc tắc nghẽn hư hại, nhiễm khuẩn nguồn nước ngầm (nếu áp dụng khu vực ô nhiễm cao) Tỷ lệ làm điển hình số hạng mục LID tóm tắt bảng Hình Các giải pháp lọc sinh học (a) Rãnh cỏ; (b) Dải lọc; (c) Vườn đón mưa Trong báo này, chúng tơi đề cập phần phần hai vấn đề sau: (a) tác động chế độ mưa đến thiết kế hồ điều hòa (b) hiệu bê tông rỗng rãnh cỏ việc giảm lượng chất thải rắn lơ lửng Việc đánh giá vấn đề tính tốn mơ dựa phần mềm Quản lý nước mưa SWMM, phần mềm phi thương mại với mã nguồn mở phát triển Hiệp hội bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (EPA) sử dụng rộng rãi giới Phần mềm giải hệ phương trình bảo tồn khối lượn mơ men cho dòng chảy khơng ổn định ống (dòng chảy Saint - Venant's chiều) phương pháp sai phân hữu hạn Bảng Hiệu làm giải pháp lọc sinh học ([10], [13]) Rãnh cỏ Dải lọc (25 m) Vườn đón mưa TSS Phốtpho Nitơ NO3 Kim loại Vi khuẩn 81% 54% - 29% -25% 65-87% 49% 38% -27% 15-16% 14 -55% -16% (Pb), 47% (Zn) 90% -50% - 50 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 1(32)-2017 Tác động chế độ mưa đến thiết kế hồ điều hòa 2.1 Mơ tả khu vực nghiên cứu sở thiết kế Khu vực chọn thiết kế khu thị Làng Sen (Đức Hòa - Long An) Đây vùng đất thấp, với cao độ tự nhiên trung bình khoảng +0,40m Sau quy hoạch, cao độ san +2,0 m, nước mưa thoát vào hệ thống kênh Hai giáp phía đơng khu vực Khu vực chịu ảnh hưởng chế độ bán nhật triều, với mực nước triều bình quân thấp –2,35 m cao –1,40m Hình thể sơ đồ khu vực thiết kế hình thể sơ đồ bố trí hệ thống nước kết hợp với hồ điều hòa phần mềm SWMM Hồ nằm trung tâm, lưu vực phụ trách chiếm 40% tổng lưu vực (phần tô màu) Nước dẫn vào hồ qua cống tháo khỏi hồ qua đường ống 800 mm nối với hệ thống thoát nước Hồ điều hòa đặt độ sâu -2m có chiều sâu Hho=4m Lỗ thoát nước đặt cao độ -1m (cách 1m so với đáy hồ) nối với đường ống nước thơng qua giếng dâng nước Cửa xả cuối hệ thống bố trí cao độ -1,5m Hồ có diện tích tăng dần theo cao độ: a) Diện tích hồ cao độ thành hồ (+2m) 1ha Lưu vực hồ phụ trách 17,94ha, chiếm khoảng 40% diện tích tổng lưu vực Tổng dung tích nước vào hồ trường hợp diễn trận mưa năm 1955m3 SWMM nội suy điểm trung gian đường đặc tính Chiều sâu - Diện tích thơng qua ngun tắc hình thang để tính tốn dung tích hồ mực nước xác định Gọi i khoảng khai báo mà mực nước hồ đạt đến, dung tích hồ xác định bằng: (1) Với Ai diện tích lớp thứ i dh bề dày lớp Hình Sơ đồ quy hoạch khu vực thiết kế Hình Hệ thống thoát nước mưa Dựa theo tiêu chuẩn nước cho mạng lưới cơng trình bên ngồi (Thốt nước Mạng lưới cơng trình bên ngồi - Tiêu chuẩn thiết kế, 2008), ứng với khu đô thị loại 1, cường độ mưa thiết kế cho hệ thống cống khu vực tính theo chu kỳ lặp lại năm với tổng lượng mưa rơi lưu vực ước tính 109mm, mưa Ngồi ra, tính chất thời tiết khu vực thiết kế diễn mưa hàng ngày thời gian tháo hồ kéo dài (một đến nhiều ngày) nên ta cần tiến hành kiểm tra mực nước hồ ứng với trận mưa có cường độ trung bình (78 mm/trận) lặp lại liên tục Trong khuôn khổ báo này, dựa theo thống kê liệu mưa, chọn thời gian trận mưa lặp lại 24 Biểu đồ hình thể liệu mưa sử dụng tính tốn thiết kế Hình thể 51 Hồ Tuấn Đức Mô hạng mục phát triển tác động thấp cho hệ thống quan hệ chiều sâu dung tích hồ thiết lập SWMM Dung tích tổng cộng hồ ước tính 23000 m3, lớn dung tích nước mưa dẫn vào hồ diễn trận mưa với tần suất thiết kế tương đương ½ lượng nước mưa rơi tồn lưu vực Hình Trận mưa trung bình (78 mm/trận) Hình Đường đặc tính hồ điều hòa trận mưa năm (109 mm/trận) 2.2 Kết mơ hồ điều hòa Khi đường kính lỗ nước tăng mực nước lớn hồ thời gian để tháo lượng nước trữ hồ giảm Tính tốn với trận mưa thiết kế (109mm) trận mưa ngày (78mm) cho kết mực nước hồ giảm chậm tăng dần đường kính (hình 6) Hình dạng đường thay đổi mực nước lớn theo đường kính lỗ có tương đồng cho hai cường độ mưa, với giá trị mực nước hồ tăng tịnh tiến ứng với mưa lớn Đối với trường hợp trận mưa lặp lại liên tục nhiều ngày, đường giá trị mực nước lớn hồ có khác biệt rõ rệt so với trường hợp diễn trận mưa Về độ lớn, ứng với giá trị đường kính thoát nước bất kỳ, mực nước lớn mưa lặp lại nhiều ngày cao so với diễn trận mưa Khi giảm dần đường kính lỗ thoát, mực nước lớn hồ tăng nhanh đến đường kính lỗ giảm tới mức xác định, mực nước hồ lớn tăng đột ngột, hồ trữ đầy hồn tồn Điều có nghĩa việc chọn thiết kế đường kính lỗ nước nhỏ dù thỏa mãn yêu cầu không tràn hồ trận mưa có tần suất thiết kế chưa hẳn an toàn với trận mưa lặp lại nhiều ngày Hình Kết tính tốn mực nước hồ lớn theo đường kính lỗ nước cho trường hợp: mưa với tần suất thiết kế, mưa trung bình mưa lặp lại nhiều ngày 52 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 1(32)-2017 Hiệu số hạng mục LID đến chất lượng nước mưa 3.1 Bố trí cơng trình Khu vực mơ lưu vực điển hình có diện tích 2,3ha, mật độ xây dựng 75% Dọc đường có bố trí vỉa hè rộng 3m, với tổng diện tích vỉa hè 0,26ha Các mưa tính tốn mưa có chu kỳ lặp lại năm (78mm) năm (109mm), thời gian mưa 3h Nghiên cứu tận dụng vỉa hè dãy nhà để bố trí giải pháp điều hòa Cụ thể có kịch đưa để so sánh khả xử lý nước mưa chảy mặt giải pháp Vỉa hè lát đá không thấm, rộng 3m – trường hợp khơng có giải pháp điều hòa Vỉa hè lát đá khơng thấm, rộng 2m, nối tiếp rãnh cỏ, rộng 1m Vỉa hè lát khối bê tơng có khe thấm, rộng 3m Vỉa hè bê tơng thấm nước, rộng 3m Hình Vỉa hè rãnh cỏ Vỉa hè thấm có chiều sâu tầng trữ nước 0,5 m, sỏi thơ có độ rỗng 0,4 nên chiều sâu trữ nước thật 0,2m Ở đáy tầng trữ nước đặt ống đục lỗ chạy dọc theo vỉa hè để thu nước mưa sau xử lý vào hệ thống thoát nước khu vực Loại vỉa hè có khe thấm (như hình 1b) có 10% lưu lượng nước mưa chảy mặt thấm xuống tầng trữ nước, phần lại chảy trực tiếp vào cửa thu nước Trường hợp vỉa hè kết hợp rãnh cỏ, rãnh cỏ có chiều sâu 0,2m, trồng loại chịu ngập nước Các rãnh cỏ có kích thước 1m x 2m, bố trí cách 2m Chất ô nhiễm mô nghiên cứu chất thải rắn lơ lửng (TSS) Giả sử vỉa hè thấm rãnh cỏ loại bỏ 70% TSS cho dòng chảy mặt chảy ngang qua Đây lượng loại bỏ điển hình quan sát cho giải pháp điều hòa [8] 3.2 Đánh giá chất lượng nước Để tính tốn chất lượng nước, cần khai báo đặc tính chất nhiễm chức sử dụng đất Mỗi chức , có xét đến tích tụ, rửa trơi xử lý chất nhiễm Hàm tích tụ sử dụng hàm số mũ, theo đó: Trong đó: B lượng tích tụ tính kg đơn vị diện tích (ha), C1 lượng tích tụ tối đa (kg/ha), C2 lượng gia tăng tích tụ (kg/ha), t số ngày khơng mưa trước Ở Việt Nam, chưa có nghiên cứu cụ thể tích tụ chất nhiễm bề mặt lưu vực, nên nghiên cứu giả sử C1 = 50 kg/ha, C2 = kg/ha, t = ngày Hàm rửa trôi sử dụng EMC, hàm nồng độ rửa trơi trung bình Tức đơn giản xem nồng độ rửa trơi khơng phụ thuộc vào lưu lượng dòng chảy mặt Tuy điều khơng xác với thực tế số tính tốn trước cho thấy q trình rửa trơi hàm khác cho đường trình khác kết nồng độ trung bình lại giống Vì với điều kiện thiếu số liệu đầu vào phương pháp nồng độ trung bình chấp nhận Đối với khu dân cư điển hình, EMC = 160 mg/L Hiệu suất làm 70% gán cho chức sử dụng đất rãnh cỏ, vỉa hè thấm vỉa hè có khe thấm 53 Hồ Tuấn Đức Mô hạng mục phát triển tác động thấp cho hệ thống Xét hiệu loại giải pháp điều hòa cho lưu vực điển hình nghiên cứu Yếu tố xem xét lượng TSS chảy vào hố thu nước sau qua loại giải pháp điều hòa tác dụng mưa thiết kế Hình thể hiệu loại bỏ TSS qua giải pháp với trường hợp mưa năm hình thể khả điều hòa lưu lượng chúng Theo đó, vỉa hè thấm loại bỏ 80% lượng TSS toàn nước mưa lọc vỉa hè thấm trước chảy vào giếng thu phần lưu lượng chứa TSS trữ lại tầng trữ nước Trong đó, rãnh cỏ vỉa hè thấm tác dụng điều hòa lưu lượng khơng đáng kể lại loại bỏ khoảng 40% TSS Nguyên nhân khả loại bỏ TSS giải pháp nhỏ vỉa hè thấm 10% (khe thấm) 50% (rãnh cỏ) lượng nước mưa chảy mặt xử lý Ngồi mơ giả sử khả thoát ống đục lỗ tầng trữ nước giải pháp lọc thiết kế đủ để tháo nước để thu tối đa lượng nước mưa chảy mặt Hình Lượng TSS lại sau qua giải pháp điều hòa- mưa năm Hình Lưu lượng vào giếng thu sau qua giải pháp điều hòa – mưa năm Hình 10 Lượng TSS sau qua vỉa hè thấm không thấm– mưa năm Hình 11 Lượng TSS sau qua khe thấm rãnh cỏ– mưa năm Hình 10 11 so sánh hiệu xử lý giải pháp điều hòa cường độ mưa thay đổi Đối với mưa lớn mưa năm, rửa trôi diễn mạnh mẽ nhanh chóng so với mưa năm tổng lượng TSS bị rửa trôi không đổi lượng tích tụ cố định Vỉa hè thấm trì hiệu suất làm 80% Tuy nhiên, khả xử lý khe thấm tăng lên rãnh cỏ giảm xuống Điều mưa năm, lượng nước qua khe thấm 10% tổng lượng chảy mặt nên khả chứa nước khe thấm chưa tận dụng hết mà phát huy khả lọc Khi mưa lớn hơn, lưu lượng chứa 54 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 1(32)-2017 tầng trữ nước tăng lên nên lượng nước chứa TSS giữ lại, làm tăng hiệu xử lý khe thấm Ngược lại, rãnh cỏ phát huy tối đa việc trữ loại bỏ TSS thân thực vật mưa năm nên lưu lượng dòng chảy mặt chứa TSS tăng lên, rãnh cỏ phát huy khả tự xử lý Kết luận Thời gian thoát nước hồ điều hòa thường kéo dài (từ đến nhiều ngày) nên việc xét đến trận mưa lặp lại thường xun cần thiết tính tốn thiết kế hồ, đảm bảo hệ thống thoát nước mạng lưới làm việc bình thường Đối với khu vực diễn mưa thường xun việc tăng dung tích hồ khơng hiệu việc lựa chọn hợp lý kích thước độ sâu đặt lỗ thoát nước để cân lượng tháo lượng nước vào hồ So với trận mưa có tần suất thiết kế, kịch trận mưa lặp lại nhiều ngày gây nguy hiểm chọn đường kính lỗ lớn, gây tràn hồ với đường kính lỗ bé Trong trường hợp cần phải chọn lỗ thoát nước bé để giới hạn lưu lượng xả, cần kết hợp nhiều lỗ thoát nước lỗ nước với hạng mục tràn hệ thống thoát nước hồ Cơn mưa lớn hay nhỏ có khoảng thời gian khơng mưa trước cho lượng chất nhiễm rửa trơi gần Vì tính tốn chất lượng nước hệ thống thoát nước mưa cần xem xét mưa cường độ thấp Khả loại bỏ chất nhiễm giải pháp điều hòa bao gồm khả làm thân cấu tạo giải pháp (như khả lọc vỉa hè thấm, khe thấm hay khả giữ bùn cát thực vật rãnh cỏ) khả trữ nước giải pháp lượng nước trữ lại giúp giữ lại TSS Để việc loại bỏ TSS hiệu nên thiết kế cho tồn lượng nước mưa chảy mặt qua giải pháp điều hòa trước đổ hệ thống nước Cần quan tâm đến diện tích bố trí giải pháp điều hòa bề mặt kích thước ống đục lỗ để thu nước sau xử lý cho thu nước kịp thời tránh nước chảy tràn lên bề mặt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Coffman, L.S (2004), Discussion of an Ecosystem Functional Basis for Protecting Receiving [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Waters, Proceedings of Protection and Restoration of Streams ASCE: 383-391 Hall, M.J., (1984), Urban Hydrology, Elsevier Applied Science Publishers, New York Heaney, J.P and W.C Huber (1984), Nationwide Assessment of Urban Runoff Impact on Receiving Water Quality, Water Resources Bulletin, 20 (1): 35:42 Hood, M , J.C Clausen and G.S Warner (2006), Low Impact Development Works!, Journal of Soil and Water Conservation, 58A-61A Gregoire, B G & Clausen, J C (2011), Effect of a modular extensive green roof on stormwater runoff and water quality, Ecological Engineering, 37, p 963–969 Quân, L V & Anh, N T (2013), Thực trạng sử dụng hồ điều hòa hệ thống nước mưa số thị thuộc đồng Bắc Bộ Việt Nam, Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi Môi Trường, 41 Sâm, L., Vượng, N Đ & Tuấn, T M (2010), Tận dụng khả trữ nước hồ điều hòa để giảm thiểu ngập lụt địa bàn thành phố Hồ Chí Minh, Tuyển tập Khoa học Công nghệ 50 năm Xây dựng Phát triển, tập II, NXB Nông nghiệp Sansalone, J.J and Hird, J (2003), Treatment of Stormwater Runoff from Urban Pavement and Roadways, Wet-Weather Flow in the Urban Watershed, Technology and Management, Edited by R Field and D Sullivan CRC Press LLC, Boca Raton, FL 55 Hồ Tuấn Đức Mô hạng mục phát triển tác động thấp cho hệ thống [9] Selbig, W & Bannerman, R (2007), Evaluation of street sweeping as a stormwater-qualitymanagement tool in three residential basins in Madison, Wisconsin U.S Geological Survey Scientific Investigations Report 2007–5156, p 102 p [10] Schueler, T (1987), Controlling Urban Runoff: A Practical Manual for Planning and Designing Urban BMPs, Metropolitan Washington Council of Governments, Washington, DC [11] Schueler, T (1997), Comparative pollutant removal capability of urban BMPs: A reanalysis, Watershed Protection Techniques, 2(4):515.520 [12] Van Seters, T (2007), Performance Evaluation of Permeable Pavement and a Bio retention Swale Seneca College, King City, Ontario, Interim Report #3, Toronto and Region Conservation Authority, Downsview, Ontario [13] Yu, S., S Barnes and V Gerde (1993), Testing of Best Management Practices for Controlling Highway Runoff, FHWA/VA 93-R16, Virginia Transportation Research Council, Charlottesville, VA [14] Zimmerman, M., Barbaro, J., Sorenson, J & Waldron, M (2010), Effects of low-impactdevelopment on water quality and quantity in the Ipswich River Basin, Massachusetts - Field and modeling studies, U.S Geological Survey Scientific Investigations Report 2010–5007, p 113 p 56 ...Hồ Tuấn Đức Mô hạng mục phát triển tác động thấp cho hệ thống hạng mục chủ đề tranh cãi nhiều nhà khoa học mơi trường nguy sức khỏe an toàn cộng đồng, khiến cho việc áp dụng hạng mục bị giới... theo thống kê liệu mưa, chọn thời gian trận mưa lặp lại 24 Biểu đồ hình thể liệu mưa sử dụng tính tốn thiết kế Hình thể 51 Hồ Tuấn Đức Mô hạng mục phát triển tác động thấp cho hệ thống quan hệ. .. suất làm 70% gán cho chức sử dụng đất rãnh cỏ, vỉa hè thấm vỉa hè có khe thấm 53 Hồ Tuấn Đức Mô hạng mục phát triển tác động thấp cho hệ thống Xét hiệu loại giải pháp điều hòa cho lưu vực điển