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.[r]
(1)MÔ PHỎNG CÁC HẠNG MỤC PHÁT TRIỂN TÁC ĐỘNG THẤP CHO HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MƯA ĐÔ 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 nước mưa 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 năng 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
1 Giới thiệu
(2)quả hạng mục chủ đề tranh cãi nhiều nhà khoa học môi 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 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 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 1 Các giải pháp lọc sinh học (a) Rãnh cỏ; (b) Dải lọc; (c) Vườn đón mưa
Trong báo này, đề cập phần phần hai vấn đề sau: (a) tác động chế độ mưa đến thiết kế hồ điều hịa (b) hiệu bê tơng 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 dịng chảy khơng ổn định ống (dịng chảy Saint - Venant's chiều) phương pháp sai phân hữu hạn
Bảng 1 Hiệu làm giải pháp lọc sinh học ([10], [13])
TSS Phốtpho Nitơ NO3 Kim loại
Vi khuẩn
Rãnh cỏ 81% 29% - 38% 14 -55% -50%
Dải lọc (25 m) 54% -25% - -27% -16% (Pb), 47% (Zn) -
(3)2 Tác động chế độ mưa đến thiết kế hồ điều hịa
2.1 Mơ tả khu vực nghiên cứu sở thiết kế
Khu vực chọn thiết kế khu đô 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 nước Hồ điều hịa 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 nước mưa
(4)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 toàn lưu vực
Hình 4 Trận mưa trung bình (78 mm/trận) Hình 5 Đường đặc tính hồ điều hịa trận
mưa năm (109 mm/trận) 2.2 Kết mơ hồ điều hịa
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 nước bất kỳ, mực nước lớn mưa lặp lại nhiều ngày cao so với diễn trận mưa Khi giảm dần đường kính lỗ thốt, 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 tồn với trận mưa lặp lại nhiều ngày
Hình 6. Kết tính tốn mực
(5)3 Hiệu số hạng mục LID đến chất lượng nước mưa
3.1 Bố trí cơng trình
Khu vực mô 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 hịa 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 hịa Vỉa hè lát đá không thấm, rộng 2m, nối tiếp rãnh cỏ, rộng 1m Vỉa hè lát khối bê tơng có khe thấm, rộng 3m Vỉa hè bê tông thấm nước, rộng 3m
Hình 7 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 ô nhiễm chức sử dụng đất Mỗi chức , có xét đến tích tụ, rửa trôi xử lý chất ô 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 ô nhiễm bề mặt lưu vực, nên nghiên cứu giả sử C1 = 50 kg/ha, C2 = kg/ha, t = ngày
(6)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 hịa 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 hịa 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 Ngoài mô 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 8 Lượng TSS cịn lại sau qua
giải pháp điều hịa- mưa năm
Hình 9 Lưu lượng vào giếng thu sau
qua giải pháp điều hòa – mưa năm
Hình 10 Lượng TSS cịn sau qua vỉa hè
thấm không thấm– mưa năm
Hình 11 Lượng TSS cịn sau qua khe thấm
và rãnh cỏ– mưa năm
(7)trong 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
4 Kết luận
Thời gian nước hồ điều hịa thường kéo dài (từ đến nhiều ngày) nên việc xét đến trận mưa lặp lại thường xuyên cần thiết tính tốn thiết kế hồ, đảm bảo hệ thống nước mạng lưới làm việc bình thường Đối với khu vực diễn mưa thường xuyên 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 thoát nước với hạng mục tràn hệ thống nước hồ
Cơn mưa lớn hay nhỏ có khoảng thời gian khơng mưa trước cho lượng chất ô nhiễm rửa trôi gần Vì tính tốn chất lượng nước hệ thống thoát nước mưa cần xem xét mưa cường độ thấp Khả loại bỏ chất ô 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 toàn lượng nước mưa chảy mặt qua giải pháp điều hòa trước đổ hệ thống thoát nước Cần quan tâm đến diện tích bố trí giải pháp điều hịa 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 Waters, Proceedings of Protection and Restoration of Streams ASCE: 383-391
[2] Hall, M.J., (1984), Urban Hydrology, Elsevier Applied Science Publishers, New York
[3] 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
[4] Hood, M , J.C Clausen and G.S Warner (2006), Low Impact Development Works!, Journal of Soil and Water Conservation, 58A-61A
[5] 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
[6] Quân, L V & Anh, N T (2013), Thực trạng sử dụng hồ điều hịa hệ thống nước mưa ở số đô thị thuộc đồng Bắc Bộ Việt Nam, Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi Môi Trường, 41 [7] 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