Nghiên cứu mô hình tổng hợp quản lý lưu lượng và chất lượng nước

LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ kỹ thuật “Nghiên cứu mơ hình tổng hợp quản lý lưu lượng chất lượng nước mưa cho khu vực diễn q trình thị hóa: Áp dụng cho khu vực Bắc MacLean, thành phố Logan, bang Queensland, Australia” hồn thành với giúp đỡ tận tình thầy cô giáo Khoa Kỹ Thuật Tài Nguyên Nước, đặc biệt thầy giáo hướng dẫn Nhân tác giả gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS Đặng Minh Hải trực tiếp hướng dẫn, thầy cô Khoa giúp đỡ nhiệt tình, cung cấp tài liệu quý cho tác giả hoàn thành Luận văn thạc sĩ Tác giả xin cảm ơn lãnh đạo đồng nghiệp Công ty TNHH Kỹ thuật tài nguyên nước AQUATIC Việt Nam, Công ty Tư vấn Kỹ thuật Burchills Engineering Solution, Australia tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tạo điều kiện tốt cho tác giả trình học tập làm luận văn Nhân xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình hết lịng chăm lo vật chất tinh thần tốt để yên tâm học tập Tôi gửi cảm ơn tới tất người bạn tập thể lớp CH19Q1 giúp nhiều trình học tập rèn luyện Trường ĐH Thuỷ lợi Hà Nội, tháng năm 2015 Tác giả luận văn Phạm Thị Tuyết CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC BẢN CAM KẾT Kính gửi: - Ban Giám hiệu trường Đại học Thuỷ lợi - Phòng Đào tạo ĐH Sau ĐH trường Đại học Thuỷ lợi Tên là: Phạm Thị Tuyết Học viên cao học lớp: 19Q11 Chuyên ngành: Kỹ thuật tài nguyên nước Mã học viên: 118606230028 Theo Quyết định số 139/QĐ-ĐHTL Hiệu trưởng trường Đại học Thuỷ Lợi việc giao đề tài luận văn người hướng dẫn cho học viên cao học đợt năm 2015 Ngày 02 tháng 02 năm 2015 nhận đề tài: “Nghiên cứu mơ hình tổng hợp quản lý lưu lượng chất lượng nước mưa cho khu vực diễn trình thị hóa: Áp dụng cho khu vực Bắc MacLean, thành phố Logan, bang Queensland, Australia” hướng dẫn Tiến sĩ Đặng Minh Hải Tôi xin cam đoan luận văn kết nghiên cứu riêng tôi, không chép Nội dung luận văn có tham khảo sử dụng tài liệu, thơng tin đăng tải tài liệu trang web theo danh mục tài liệu tham khảo luận văn Hà Nội, tháng năm 2015 Tác giả luận văn Phạm Thị Tuyết MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu .5 1.2 Tổng quan nghiên cứu thực 1.2.1 Các nghiên cứu nước 1.2.2 Các nghiên cứu Việt Nam .12 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CƠ SỞ DỮ LIỆU .16 2.1 Mơ hình quản lý nước mưa XP – SWMM .16 2.1.1 Cơ sở lý thuyết mơ hình XP-SWMM 16 2.1.2 Cơ sở liệu mơ hình XP-SWMM 20 2.2 Mơ hình quản lý chất lượng nước thị-MUSIC 25 2.2.1 Cơ sở lý thuyết mơ hình MUSIC 26 2.2.2 Cơ sở liệu mơ hình MUSIC 28 2.2.3 Mô hình tổng hợp quản lý nước mưa 30 CHƯƠNG ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TỔNG HỢP TRONG QUẢN LÝ LƯU LƯỢNG NƯỚC VÀ CHẤT LƯỢNG NƯỚC MƯA CHO KHU VỰC NGHIÊN CỨU Ở VÙNG BẮC MACLEAN, THÀNH PHỐ LOGAN, BANG QUEENSLAND, AUSTRALIA .35 3.1 Tổng quan vùng nghiên cứu 35 3.1.1 Đặc điểm vùng nghiên cứu 35 3.1.2 Mục tiêu nghiên cứu 39 3.2 Xây dựng Ứng dụng mơ hình XP – SWMM quản lý lưu lượng nước mưa khu vực nghiên cứu 39 3.2.1 Các bước thiết lập mơ hình XP-SWMM 39 3.2.2 Xây dựng mơ hình XP – SWMM cho khu vực nghiên cứu .41 3.2.3 Phân tích ảnh hưởng q trình thị hóa khu nghiên cứu đến lưu lượng dịng chảy cửa xả khu nghiên cứu 63 3.2.4 Đề xuất phương án tiêu thoát nước quản lý lưu lượng nước mưa .65 3.2.5 Ứng dụng mơ hình XP-SWMM tính tốn thiết kế bể trữ nước chỗ (OSD) điều tiết lưu lượng nước mưa khu vực thị hóa 69 3.2.6 Kết mơ hình XPSWMM - Đánh giá hiệu bể trữ chỗ 75 3.3 Xây dựng ứng dụng mơ hình MUSIC quản lý chất lượng nước mưa khu vực nghiên cứu 78 3.3.1 Các bước thiết lập mơ hình MUSIC 78 3.3.2 Xây dựng hình MUSIC 79 3.3.3 Phân tích ảnh hưởng q trình thị hóa khu nghiên cứu đến chất lượng nước hạ lưu khu nghiên cứu 90 3.3.4 Giới thiệu hệ thống xử lý nước mưa dự kiến khu vực nghiên cứu 91 3.3.5 Ứng dụng mơ hình MUSIC tính tốn thiết kế hệ thống cơng trình xử lý chất lượng nước 93 3.3.6 Đánh giá khả hoạt động hệ thống cơng trình xử lý chất lượng nước 95 3.3.7 Chương trình giám sát hệ thống cơng trình giai đoạn vận hành .98 3.4 Kết luận 99 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 105 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Tần suất thiết kế cho hệ thống thống tiêu thoát nhỏ 24 Bảng 2.2 Tần suất thiết kế cho hệ thống thống tiêu thoát lớn 24 Bảng 2.3 Thơng số mưa dịng chảy kiến nghị sử dụng MUSIC 29 Bảng 2.4 Thơng số tính tốn chất nhiễm kiến nghị sử dụng MUSIC 30 Bảng 2.5 Tổng hợp mục tiêu thiết kế chất lượng nước mưa giai đoạn vận hành 31 Bảng 3.1 Tần suất thiết kế hệ thống thống tiêu thoát cho bể trữ 41 Bảng 3.2 Cường độ mưa thiết kế (mm/giờ) 42 Bảng 3.3 Tổng lượng mưa (mm) 43 Bảng 3.4 Phân bố mưa ứng với trận mưa thiết kế 43 Bảng 3.5 Phân chia lưu vực (phương án trạng) 51 Bảng 3.6 Phân chia lưu vực (phương án Đơ thị hóa) 53 Bảng 3.7 Thời gian tập trung nước (phương án trạng) .56 Bảng 3.8 Tính tốn lưu lượng lũ theo phương pháp thích hợp (phương án trạng) 57 Bảng 3.9 Thời gian tập trung nước (phương án Đơ thị hóa) 58 Bảng 3.10 Tính tốn lưu lượng lũ theo phương pháp thích hợp (phương án Đơ thị hóa) 59 Bảng 3.11 Hệ số thấm ban đầu thấm ổn định .60 Bảng 3.12 Các thông số lưu vực cho phương án trạng .60 Bảng 3.13 Các thơng số lưu vực cho phương án Đơ thị hóa 60 Bảng 3.14 Lưu lượng dòng chảy từ mơ hình XP-SWMM (phương án trạng) 61 Bảng 3.15 Lưu lượng dịng chảy từ mơ hình XP-SWMM (phương án Đơ thị hóa) 62 Bảng 3.16 So sánh giá trị đỉnh lũ tính tốn .63 Bảng 3.17 So sánh dòng chảy điểm xả LPD A 64 Bảng 3.18 So sánh dòng chảy điểm xả LPD B 64 Bảng 3.19 Quan hệ diện tích độ sâu tính toán cho hệ thống OSD .71 Bảng 3.20 Cấu tạo cửa nước cơng trình điều tiết OSD 72 Bảng 3.21 So sánh lưu lượng đỉnh lũ hai 75 Bảng 3.22 Độ sâu bể điều tiết ứng với lũQ100 năm (1% AEP) .77 Bảng 3.23 Độ sâu bể điều tiết ứng với lũthiết kế 20 năm (5% AEP) .77 Bảng 3.24 Kết phân tích phương án rủi ro cao ứng với lũ Q 100 (1% AEP) .77 Bảng 3.25 Số liệu khí tượng trạm mưa 80 Bảng 3.26 Phân chia lưu vực mơ hình MUSIC .81 Bảng 3.27 Thơng số tính tốn mưa – dòng chảy .83 Bảng 3.28 Thơng số tính tốn chất nhiễm sinh từ khu thị hóa .84 Bảng 3.29 Kết tính tốn chất nhiễm khỏi lưu vực 85 Bảng 3.30 Tính tốn cơng trình lắng đọng bùn cát hạt thơ .94 Bảng 3.31 Thông số thiết kế hệ thống xử lý nước sinh hóa Bio-retention 94 Bảng 3.32 Hiệu hệ thống xử lý chất lượng nước đề xuất 96 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Phân chia diện tích tính tốn phương pháp Laurenson 18 Hình 2.2 Quá trình mưa - dịng chảy theo phương pháp Laurenson .18 Hình 2.3 Các trạm đo mưa ngày trạm đo mưa liên tục sử dụng việc ước tính cường độ mưa thiết kế (www.bom.gov.au) 21 Hình 2.4 Phân vùng cho biểu đồ phân bố mưa lãnh thổ Australia 23 Hình 2.5 Mơ hình mưa dịng chảy sử dụng MUSIC 27 Hình 2.6 Mơ hình tổng hợp quản lý tổng hợp nước mưa đô thị theo phương pháp WSUD .33 Hình 2.7 Sơ đồ khối tính tốn mơ hình XP – SWMM MUSIC 34 Hình 3.1 Vị trí địa lý khu vực nghiên cứu 35 Hình 3.2 Hiện trạng sử dụng đất khu vực nghiên cứu 36 Hình 3.3 Mặt khu nghiên cứu phương án Đơ thị hóa .38 Hình 3.4 Biểu đồ phân bố mưa ứng với trận mưa thiết kế có khoảng thời gian lặp lại nhỏ 30 năm 48 Hình 3.5 Biểu đồ phân bố mưa ứng với trận mưa thiết kế có khoảng thời gian lặp lại lớn 30 năm .49 Hình 3.6 Dữ liệu mưa mơ hình XP-SWMM 50 Hình 3.7 Phân chia lưu vực phương án trạng 52 Hình 3.8 Phân chia lưu vực phương án Đơ thị hóa 54 Hình 3.9 Lưu lượng ứng với khoảng lặp lại 100 năm (1%) cho lưu vực trạng từ mơ hình XPSWMM .61 Hình 3.10 Lưu lượng ứng với khoảng lặp lại 100 năm (1%) cho lưu vực Đơ thị hóa từ mơ hình XP-SWMM 62 Hình 3.11 Thơng số thiết kế kênh dẫn nước theo cơng thức Mannings 66 Hình 3.12 Mặt cắt điển hình cơng trình phân tán dịng chảy .67 Hình 3.13 Mặt cắt điển hình hệ thống tiêu nước khu vực nghiên cứu 68 Hình 3.14 hệ thống kết hợp bể trữ chỗ với hệ thống lọc sinh hóa .70 Hình 3.15 Đường quan hệ diện tích độ sâu bể trữ mơ XP-SWMM 71 Hình 3.16 Hệ thống thoát nước khỏi bể trữ mơ hình XP-SWMM 72 Hình 3.17 Hệ thống quản lý nước mưa đề xuất cho khu nghiên cứu 73 Hình 3.18 Mặt cắt thiết kế hệ thống quản lý nước mưa cho khu nghiên cứu 74 Hình 3.19 Biểu đồ so sánh dịng chảy đỉnh lũ ứng với Q100 năm cho hai phương án trạng d (đã điều tiết) 76 Hình 3.20 Biểu đồ khí tượng tự ghi thời đoạn phút sử dụng mơ hình MUSIC 80 Hình 3.21 Phân chia lưu vực cho tính tốn chất lượng nước MUSIC 82 Hình 3.22 Hàm lượng nhiễm tính từ mơ hình MUSIC 86 Hình 3.23 Biểu đồ so sánh giá trị trung bình năm TSS mơ hình MUSIC kết tính tốn mơ hình Colobus EMSS (nguồn CRCCH, 2002) 87 Hình 3.24 Biểu đồ so sánh giá trị trung bình năm TP mơ hình MUSIC kết tính tốn mơ hình Colobus EMSS (nguồn CRCCH, 2002) 88 Hình 3.25 Biểu đồ so sánh giá trị trung bình năm TN mơ hình MUSIC kết tính tốn mơ hình Colobus EMSS (nguồn CRCCH, 2002) 89 Hình 3.26 Sơ đồ hệ thống xử lý nước mưa đề xuất 91 Hình 3.27 Mặt cắt điển hình hệ thống lọc nước sinh hóa 92 Hình 3.28 Hệ thống xử lý nước sinh hóa mơ mơ hình MUSIC 95 Hình 3.29 Hệ thống xử lý nước mưa kết mơ hình MUSIC 97 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AEP Tần suất năm vượt (Annual Exceedance Probability) AHD Mực thủy chuẩn Australia (Australian Height Datum) ARI Khoảng thời gian lặp lại trung bình (độ lặp lại) (Average Recurrence Interval) ARR Phân phối mưa – dòng chảy Australia (Australian Rainfall Runoff) BS Hệ thống lọc nước sinh hóa (Bio-Retention System) CL Hệ số thấm ổn định (Continuing Loss) CSF Cơng trình lắng đọng bùn cát hạt thô(Coarse Sediment Forebays) EXT Lưu vực bên đổ vào khu Nghiên cứu(External Catchment) IFD Số liệu cường độ mưa thiết kế (Intensity Frequency Duration) IL Hệ số thấm ban đầu (Initial Loss) LPD Điểm xả nước cho phép thành phố (Lawfull/Legal point of discharge) MUSIC OSD QUDM QWQG Mơ hình Quản lý chất lượng nước đô thị MUSIC (Model for Urban Stormwater Improvement Conceptualisation) Bể trữ nước chỗ (On-site Detention) Hướng dẫn thiết kế hệ thống tiêu thị Queensland (Queensland Urban Drainage Manual) Hướng dẫn quản lý chất lượng nước đô thị Queensland (Queensland Water Quality Guidelines) RL Cao trình sau đào lấy theo cao trình chuẩn (Reduced Level) SIT Thời gian tập trung nước đến cửa vào tiêu chuẩn (Standard Inlet Time) TSS Hàm lượng chất lơ lửng TP Tổng phốt TN Tổng Nitơ WSUD Thiết kế đô thị nhạy cảm nước (Water Sensitive Urban Design) XP- Mô hình Quản lý nước mưa XP – SWMM (Stormwater Management Model) SWMM PHẦN MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Đơ thị hóa q trình tất yếu phát triển kinh tế - xã hội, xu tích cực tạo nên động lực cho kinh tế quốc gia Ở Việt Nam nay, bối cảnh thị hóa q nhanh với quan tâm chưa mức vấn đề quản lý, bảo vệ môi trường nước quy hoạch xây dựng thị dẫn đến tình trạng ngập úng cục ô nhiễm nguồn nước mặt nghiêm trọng xảy thường xuyên đô thị lớn Trên giới, việc mơ hình tổng hợp để quản lý lưu lượng chất lượng nguồn nước mưa cho khu vực đô thị thực nhiều, đặc biệt quy mô tiểu lưu vực Tuy nhiên Việt Nam, thiếu số liệu nhiều hạn chế kinh tế kỹ thuật nên vấn đề chưa quan tâm mức Nhiều dự án đề tài quản lý nước mưa đô thị thực hiện, nhiên dự án đề tài thực quy mô lớn Vấn đề quản lý nước mưa cho tiểu lưu vực, đặc biệt lưu vực dự kiến diễn q trình thị vấn đề cấp thiết nhằm đảm bảo q trình thị hóa khơng làm ảnh hưởng đến khả tiêu nước hệ thống trạng đồng thời không làm ảnh hưởng đến chất lượng nước mưa Tuy nhiên, để thực nghiên cứu vấn đề quản lý nước mưa cho tiểu lưu vực đòi hỏi nhiều liệu mà Việt Nam chưa có Do đó, việc triển khai vấn đề quản lý lưu lượng chất lượng nguồn nước đô thị khu vực giới (có số liệu đầy đủ) nhằm rút học áp dụng cho điều kiện Việt Nam cần thiết Khu vực nghiên cứu nằm số 18, đường Trace, Bắc Maclean, thành phố Logan với diện tích 3.53 Khu nghiên cứu nằm ngoại thành thành phố Logan Phần lớn diện tích đất khu nghiên cứu đất trống, với bề mặt bảo phủ bụi cỏ Có hai ngơi nhà tồn khu vực nghiên cứu Hiện tại, khu vực nghiên cứu chưa phát triển (hình 1) Trong tương lai, khu vực nghiên cứu 92 b Hệ thống lọc nước sinh hóa – BS (Bio-Retention System) Cơng trình BS vận hành lọc nước qua tầng lọc cát trước đổ hệ thống thoát nước Hệ thống loại bỏ chất ô nhiễm qua loạt q trình, bao gồm: • Lắng đọng bùn cát tầng trữ nước mở rộng (Extended Detention Storage); • Lọc nước qua tầng lọc; • Q trình hấp thu sinh học chất dinh dưỡng – chất ô nhiễm màng sinh học (màng tạo vi khuẩn); • Quá trình hấp phụ chất dinh dưỡng phân hủy chất ô nhiễm vi sinh vật đất; • Q trình hấp phụ chất kim loại dinh dưỡng hạt tầng lọc cát Hình 3.27 cho mặt cắt điển hình hệ thống lọc nước sinh hóa trình bày cấu tạo lớp lọc hệ thống (lưu ý hệ thống để sử dụng giai đoạn vận hành, khu thị hóa đưa vào sử dụng) Hình 3.27 Mặt cắt điển hình hệ thống lọc nước sinh hóa 93 3.3.5 Ứng dụng mơ hình MUSIC tính tốn thiết kế hệ thống cơng trình xử lý chất lượng nước a Cơng trình lắng đọng bùn cát hạt thơ CSF (Coarse Sediment Forebays) Cơng trình lắng đọng bùn cát hạt thơ CSF thực tế khơng thiết kế từ mơ hình MUSIC (phiên Mơ hình MUSIC chưa tích hợp khả mơ hệ thống lắng đọng bùn cát hạt thơ CSF) Cơng trình thực chất cơng trình phụ trợ hệ thống xử lý nước sinh hóa nhằm ngăn chặn phần hạt thô xâm nhập làm tắc hệ thống xử lý nước sinh hóa Cơng trình thiết kế dựa vào thiết kế dựa vào Hướng dẫn thiết kế kỹ thuật theo phương pháp Thiết kế đô thị nhạy cảm nước cho khu vực đông nam Queensland, 2006 Công trình lắng đọng bùn cát hạt thơ thiết kế theo công thức sau: Vs = Ac R Lo Fc Trong đó: Vs: Thể tích u cầu cơng trình lắng đọng bùn cát thơ (m³); Ac: Diện tích lưu vực đổ vào cơng trình lắng đọng bùn cát thô (m²); Lo: Hệ số vận chuyển bùn cát (m³/ha/năm); Fc: Tần suất thu dọn (năm) Diện tích cơng trình lắng đọng bùn cát thơ tính sau: As = Trong đó: 𝑉𝑠 𝐷𝑠 Ds: Chiều sâu cơng trình lắng đọng bùn cát thơ Bảng 3.30 trình bày tóm tắt tính tốn u cầu cơng trình lắng đọng bùn cát hạt thơ 94 Bảng 3.30 Tính tốn cơng trình lắng đọng bùn cát hạt thơ Tên Diện tích lưu vực cơng trình đóng góp dịng chảy (ha) A 1.70 Q 3tháng Lưu Tốc độ lượng lắng dòng (m/s) chảy vào (m³/s) 0.13 0.1 Diện tích khu lắng (m²) 15 Độ Hiệu sâu suất bồi (m) lắng (%) 0.15 80% b Hệ thống lọc nước sinh hóa – BS Hệ thống lọc nước sinh hóa thiết kế sử dụng phần mềm MUSIC theo phương pháp thử sai Các thông số thiết kế cho hệ thống lọc nước sinh hóa bio-retention trình bày Bảng 3.31 Hình 3.28 Bảng 3.31 Thơng số thiết kế hệ thống xử lý nước sinh hóa Bio-retention Thơng số thiết kế Diện tích bề mặt (m ) Diện tích lọc có tính tốn thích hợp hay khơng? (Có / Khơng / khơng áp dụng) Độ sâu tầng trữ nước mở rộng phía lọc (EDD) (m) Diện tích phần lọc (m2) Bộ lọc không bọc chống thấm xung quanh (m) Thấm thủy lực bão hòa (mm/giờ) Độ sâu tầng lọc (m) Tổng lượng nitơ chứa lọc (mg/kg) Tỷ lệ chất hữu lọc (%) Orthophosphate chứa lọc (mg/kg) Đáy lọc có bọc chống thấm khơng? (Có/Khơng) (impermeable liner) Hiệu loại bỏ tổng Nitơ thực vật (hiệu quả/khơng hiệu quả/khơng có thực vật) Chiều rộng đập tràn tự (m) Có sử dụng đường ống thu nước (sau xử lý) tầng lọc khơng? (Có/ Khơng) Có khẳng định K C* sử dụng giá trị mặc định không? (Có/ Khơng) A 324 Có 0.3 224 Khơng áp dụng 200 0.5