Nghiên cứu mô hình tổng hợp quản lý lưu lượng và chất lượng nước mưa cho khu vực đang diễn ra quá trình đô thị hóa

L IC M N Lu n v n th c s k thu t “Nghiên c u mơ hình t ng h p qu n lý l u l l ng n ng ch t c m a cho khu v c di n q trình th hóa: Áp d ng cho khu v c B c MacLean, thành ph Logan, bang Queensland, Australia” đ c hoàn thành v i s giúp đ t n tình c a th y giáo Khoa K Thu t Tài Nguyên N TS c, đ c bi t th y giáo h ng d n Nhân tác gi g i l i bi t n sâu s c đ n ng Minh H i tr c ti p h ng d n, th y cô Khoa giúp đ nhi t tình, cung c p nh ng tài li u quý cho tác gi hoàn thành Lu n v n th c s Tác gi xin c m n lãnh đ o đ ng nghi p t i Công ty TNHH K thu t tài nguyên n c AQUATIC Vi t Nam, Công ty T v n K thu t Burchills Engineering Solution, Australia t n tình giúp đ , h ng d n t o u ki n t t nh t cho tác gi trình h c t p làm lu n v n Nhân xin bày t lịng bi t n đ n gia đình h t lòng ch m lo v v t ch t tinh th n t t nh t đ yên tâm h c t p Tôi c ng g i c m n t i t t c nh ng ng i b n t p th l p CH19Q1 giúp tơi nhi u q trình h c t p rèn luy n Tr ng H Thu l i Hà N i, tháng n m 2015 Tác gi lu n v n Ph m Th Tuy t C NG HÒA XÃ H I CH NGH A VI T NAM CL P–T DO – H NH PHÚC B N CAM K T Kính g i: - Ban Giám hi u tr ng i h c Thu l i - Phòng t o H Sau H tr ng i h c Thu l i Tên là: Ph m Th Tuy t H c viên cao h c l p: 19Q11 Chuyên ngành: K thu t tài nguyên n c Mã h c viên: 118606230028 Theo Quy t đ nh s 139/Q - HTL c a Hi u tr vi c giao đ tài lu n v n ng ng tr ng i h c Thu L i v ih ng d n cho h c viên cao h c đ t n m 2015 Ngày 02 tháng 02 n m 2015 đ c nh n đ tài: “Nghiên c u mơ hình t ng h p qu n lý l u l ng ch t l ng n c m a cho khu v c di n q trình th hóa: Áp d ng cho khu v c B c MacLean, thành ph Logan, bang Queensland, Australia” d is h ng d n c a Ti n s ng Minh H i Tôi xin cam đoan lu n v n k t qu nghiên c u c a riêng tôi, không chép c a N i dung lu n v n có tham kh o s d ng tài li u, thông tin đ c đ ng t i tài li u trang web theo danh m c tài li u tham kh o c a lu n v n Hà N i, tháng n m 2015 Tác gi lu n v n Ph m Th Tuy t M CL C PH N M U CH T NG QUAN NG 1.1 T ng quan v v n đ nghiên c u .5 1.2 T ng quan v nghiên c u th c hi n 1.2.1 Các nghiên c u n c 1.2.2 Các nghiên c u Vi t Nam .12 CH NG C S LÝ THUY T VÀ C S D LI U .16 2.1 Mơ hình qu n lý n c m a XP – SWMM .16 2.1.1 C s lý thuy t mô hình XP-SWMM 16 2.1.2 C s d li u mơ hình XP-SWMM 20 2.2 Mơ hình qu n lý ch t l ng n c đô th -MUSIC 25 2.2.1 C s lý thuy t mơ hình MUSIC 26 2.2.2 C s d li u mơ hình MUSIC 28 2.2.3 Mơ hình t ng h p qu n lý n c m a 30 CH NG NG D NG MƠ HÌNH T NG H P TRONG QU N LÝ L UL NG N C VÀ CH T L NG N C M A CHO KHU V C NGHIÊN C U VÙNG B C MACLEAN, THÀNH PH LOGAN, BANG QUEENSLAND, AUSTRALIA .35 3.1 T ng quan v vùng nghiên c u 35 3.1.1 c m vùng nghiên c u 35 3.1.2 M c tiêu c a nghiên c u 39 3.2 Xây d ng ng d ng mơ hình XP – SWMM qu n lý l u l ng n c m a khu v c nghiên c u 39 3.2.1 Các b c thi t l p mơ hình XP-SWMM 39 3.2.2 Xây d ng mô hình XP – SWMM cho khu v c nghiên c u .41 3.2.3 Phân tích s nh h ng c a q trình th hóa t i khu nghiên c u đ n l u l ng dòng ch y t i c a x c a khu nghiên c u 63 3.2.4 xu t ph ng án tiêu thoát n c qu n lý l u l ng n c m a .65 3.2.5 ng d ng mơ hình XP-SWMM tính tốn thi t k b tr n c t i ch (OSD) u ti t l u l ng n c m a khu v c đô th hóa 69 3.2.6 K t qu mơ hình XPSWMM - ánh giá hi u qu c a b tr t i ch 75 3.3 Xây d ng ng d ng mơ hình MUSIC qu n lý ch t l ng n c m a khu v c nghiên c u 78 3.3.1 Các b c thi t l p mơ hình MUSIC 78 3.3.2 Xây d ng hình MUSIC 79 3.3.3 Phân tích s nh h ng c a q trình th hóa khu nghiên c u đ n ch t l ng n c h l u khu nghiên c u 90 3.3.4 Gi i thi u h th ng x lý n c m a d ki n t i khu v c nghiên c u 91 3.3.5 ng d ng mơ hình MUSIC tính tốn thi t k h th ng cơng trình x lý ch t l ng n c 93 3.3.6 ánh giá kh n ng ho t đ ng c a h th ng cơng trình x lý ch t l ng n c 95 3.3.7 Ch ng trình giám sát h th ng cơng trình giai đo n v n hành .98 3.4 K t lu n 99 CH NG K T LU N VÀ KI N NGH 101 TÀI LI U THAM KH O 105 DANH M C B NG B ng 2.1 T n su t thi t k cho h th ng th ng tiêu thoát nh 24 B ng 2.2 T n su t thi t k cho h th ng th ng tiêu thoát l n 24 B ng 2.3 Thông s m a dòng ch y đ c ki n ngh s d ng MUSIC 29 B ng 2.4 Thơng s tính tốn ch t nhi m đ c ki n ngh s d ng MUSIC 30 B ng 2.5 T ng h p m c tiêu thi t k ch t l ng n c m a giai đo n v n hành 31 B ng 3.1 T n su t thi t k h th ng th ng tiêu thoát cho b tr 41 B ng 3.2 C ng đ m a thi t k (mm/gi ) 42 B ng 3.3 T ng l ng m a (mm) 43 B ng 3.4 Phân b m a ng v i tr n m a thi t k 43 B ng 3.5 Phân chia l u v c (ph ng án hi n tr ng) 51 B ng 3.6 Phân chia l u v c (ph ng án ô th hóa) 53 B ng 3.7 Th i gian t p trung n B ng 3.8 Tính tốn l u l c (ph ng án hi n tr ng) .56 ng l theo ph ng pháp thích h p (ph ng án hi n tr ng) 57 B ng 3.9 Th i gian t p trung n B ng 3.10 Tính tốn l u l c (ph ng án th hóa) 58 ng l theo ph ng pháp thích h p (ph ng án th hóa) 59 B ng 3.11 H s th m ban đ u th m n đ nh .60 B ng 3.12 Các thông s l u v c cho ph ng án hi n tr ng .60 B ng 3.13 Các thông s l u v c cho ph ng án th hóa 60 B ng 3.14 L u l ng dòng ch y t mơ hình XP-SWMM (ph ng án hi n tr ng) 61 B ng 3.15 L u l ng dịng ch y t mơ hình XP-SWMM (ph ng án ô th hóa) 62 B ng 3.16 So sánh giá tr đ nh l tính tốn .63 B ng 3.17 So sánh dòng ch y t i m x LPD A 64 B ng 3.18 So sánh dòng ch y t i m x LPD B 64 B ng 3.19 Quan h di n tích đ sâu tính toán cho h th ng OSD .71 B ng 3.20 C u t o c a thoát n c c a cơng trình u ti t OSD 72 B ng 3.21 So sánh l u l ng đ nh l gi a hai 75 B ng 3.22 sâu b u ti t ng v i l Q100 n m (1% AEP) .77 B ng 3.23 sâu b u ti t ng v i l thi t k 20 n m (5% AEP) .77 B ng 3.24 K t qu phân tích ph B ng 3.25 S li u khí t ng án r i ro cao ng v i l Q 100 (1% AEP) .77 ng tr m m a 80 B ng 3.26 Phân chia l u v c mơ hình MUSIC .81 B ng 3.27 Thơng s tính tốn m a – dòng ch y .83 B ng 3.28 Thơng s tính tốn ch t nhi m sinh t khu th hóa .84 B ng 3.29 K t qu tính tốn ch t ô nhi m kh i l u v c 85 B ng 3.30 Tính tốn cơng trình l ng đ ng bùn cát h t thô .94 B ng 3.31 Thông s thi t k c a h th ng x lý n B ng 3.32 Hi u qu c a h th ng x lý ch t l c sinh hóa Bio-retention 94 ng n c đ xu t 96 DANH M C HÌNH Hình 2.1 Phân chia di n tích tính tốn ph Hình 2.2 Q trình m a - dịng ch y theo ph ng pháp Laurenson 18 ng pháp Laurenson .18 Hình 2.3 Các tr m đo m a ngày tr m đo m a liên t c đ vi c c tính c c s d ng ng đ m a thi t k (www.bom.gov.au) 21 Hình 2.4 Phân vùng cho bi u đ phân b m a lãnh th Australia 23 Hình 2.5 Mơ hình m a dịng ch y đ c s d ng MUSIC 27 Hình 2.6 Mơ hình t ng h p qu n lý t ng h p n c m a đô th theo ph ng pháp WSUD .33 Hình 2.7 S đ kh i tính tốn mơ hình XP – SWMM MUSIC 34 Hình 3.1 V trí đ a lý khu v c nghiên c u 35 Hình 3.2 Hi n tr ng s d ng đ t khu v c nghiên c u 36 Hình 3.3 M t b ng khu nghiên c u ph ng án ô th hóa .38 Hình 3.4 Bi u đ phân b m a ng v i tr n m a thi t k có kho ng th i gian l p l i nh h n 30 n m 48 Hình 3.5 Bi u đ phân b m a ng v i tr n m a thi t k có kho ng th i gian l p l i l n h n 30 n m .49 Hình 3.6 D li u m a mơ hình XP-SWMM 50 Hình 3.7 Phân chia l u v c ph ng án hi n tr ng 52 Hình 3.8 Phân chia l u v c ph ng án th hóa 54 Hình 3.9 L u l ng ng v i kho ng l p l i 100 n m (1%) cho l u v c hi n tr ng t mơ hình XPSWMM .61 Hình 3.10 L u l ng ng v i kho ng l p l i 100 n m (1%) cho l u v c th hóa t mơ hình XP-SWMM 62 Hình 3.11 Thơng s thi t k kênh d n n c theo công th c Mannings 66 Hình 3.12 M t c t n hình c a cơng trình phân tán dịng ch y .67 Hình 3.13 M t c t n hình c a h th ng tiêu n c khu v c nghiên c u 68 Hình 3.14 h th ng k t h p b tr t i ch v i h th ng l c sinh hóa .70 Hình 3.15 ng quan h di n tích đ sâu c a b tr mơ ph ng XP-SWMM 71 Hình 3.16 H th ng n Hình 3.17 H th ng qu n lý n c kh i b tr mơ hình XP-SWMM 72 c m a đ xu t cho khu nghiên c u 73 Hình 3.18 M t c t thi t k h th ng qu n lý n c m a cho khu nghiên c u 74 Hình 3.19 Bi u đ so sánh gi a dòng ch y đ nh l ph ng v i Q100 n m cho hai ng án hi n tr ng d (đã u ti t) 76 Hình 3.20 Bi u đ khí t ng t ghi th i đo n phút s d ng mô hình MUSIC 80 Hình 3.21 Phân chia l u v c cho tính tốn ch t l Hình 3.22 Hàm l ng n c MUSIC 82 ng nhi m tính t mơ hình MUSIC 86 Hình 3.23 Bi u đ so sánh giá tr trung bình n m c a TSS b ng mơ hình MUSIC k t qu tính tốn b ng mơ hình Colobus b i EMSS (ngu n CRCCH, 2002) 87 Hình 3.24 Bi u đ so sánh giá tr trung bình n m c a TP b ng mơ hình MUSIC k t qu tính tốn b ng mơ hình Colobus b i EMSS (ngu n CRCCH, 2002) 88 Hình 3.25 Bi u đ so sánh giá tr trung bình n m c a TN b ng mơ hình MUSIC k t qu tính tốn b ng mơ hình Colobus b i EMSS (ngu n CRCCH, 2002) 89 Hình 3.26 S đ h th ng x lý n c m a đ xu t 91 Hình 3.27 M t c t n hình c a h th ng l c n c sinh hóa 92 Hình 3.28 H th ng x lý n c sinh hóa mơ ph ng mơ hình MUSIC 95 Hình 3.29 H th ng x lý n c m a k t qu mơ hình MUSIC 97 DANH M C T VI T T T AEP T n su t n m v AHD M c th y chu n c a Australia (Australian Height Datum) ARI Kho ng th i gian l p l i trung bình (đ l p l i) (Average Recurrence Interval) ARR Phân ph i m a – dòng ch y c a Australia (Australian Rainfall Runoff) BS H th ng l c n CL H s th m n đ nh (Continuing Loss) CSF Cơng trình l ng đ ng bùn cát h t thơ(Coarse Sediment Forebays) EXT L u v c bên ngồi đ vào khu Nghiên c u(External Catchment) IFD S li u c IL H s th m ban đ u (Initial Loss) LPD MUSIC OSD QUDM QWQG t (Annual Exceedance Probability) c sinh hóa (Bio-Retention System) ng đ m a thi t k (Intensity Frequency Duration) i mx n c cho phép c a thành ph (Lawfull/Legal point of discharge) Mơ hình Qu n lý ch t l ng n c đô th MUSIC (Model for Urban Stormwater Improvement Conceptualisation) B tr n H c t i ch (On-site Detention) ng d n thi t k h th ng tiêu th Queensland (Queensland Urban Drainage Manual) H ng d n qu n lý ch t l ng n c đô th Queensland (Queensland Water Quality Guidelines) RL Cao trình sau đào l y theo cao trình chu n (Reduced Level) SIT Th i gian t p trung n TSS Hàm l TP T ng ph t TN T ng Nit WSUD Thi t k đô th nh y c m v n XP- Mơ hình Qu n lý n SWMM c đ n c a vào tiêu chu n (Standard Inlet Time) ng ch t l l ng c (Water Sensitive Urban Design) c m a XP – SWMM (Stormwater Management Model) PH N M TÍNH C P THI T C A U TÀI th hóa q trình t t y u phát tri n kinh t - xã h i, xu th tích c c t o nên đ ng l c m i cho n n kinh t c a m i qu c gia Vi t Nam hi n nay, b i c nh đô th hóa nhanh v i s quan tâm ch a m c v v n đ qu n lý, b o v môi tr ng n c quy ho ch xây d ng đô th d n đ n tình tr ng ng p úng c c b ô nhi m ngu n n c m t nghiêm tr ng x y th ng xuyên đô th l n Trên th gi i, vi c mơ hình t ng h p đ qu n lý l u l n c m a cho khu v c đô th đ l u v c Tuy nhiên ng ngu n c th c hi n nhi u, đ c bi t quy mô ti u Vi t Nam, thi u s li u nhi u h n ch v kinh t k thu t nên v n đ ch a đ lý n ng ch t l c m a đô th đ c quan tâm m c Nhi u d án đ tài v qu n c th c hi n, nhiên d án đ tài m i đ th c hi n quy mô l n V n đ qu n lý n c c m a cho ti u l u v c, đ c bi t l u v c d ki n di n q trình th v n đ c p thi t nh m đ m b o q trình th hóa khơng làm nh h ng đ n kh n ng tiêu thoát n th ng hi n tr ng đ ng th i không làm nh h ng đ n ch t l nhiên, đ th c hi n nghiên c u v v n đ qu n lý n h i r t nhi u d li u mà hi n qu n lý l u l ng ch t l ng n cc ah c m a Tuy c m a cho ti u l u v c địi Vi t Nam ch a có Do đó, vi c tri n khai v n đ ng ngu n n c đô th khu v c th gi i (có s li u đ y đ ) nh m rút h c áp d ng cho u ki n c a Vi t Nam h t s c c n thi t Khu v c nghiên c u n m t i s 18, đ ng Trace, B c Maclean, thành ph Logan v i di n tích 3.53 Khu nghiên c u n m ngo i thành thành ph Logan Ph n l n di n tích đ t c a khu nghiên c u hi n t i đ t tr ng, v i b m t đ c b o ph b i b i c Có hai ngơi nhà t n t i khu v c nghiên c u Hi n t i, khu v c nghiên c u ch a phát tri n (hình 1) Trong t ng lai, khu v c nghiên c u s 92 b H th ng l c n c sinh hóa – BS (Bio-Retention System) Cơng trình BS v n hành l c n n c qua t ng l c cát tr c đ h th ng thoát c H th ng lo i b ch t ô nhi m qua m t lo t q trình, bao g m: • L ng đ ng bùn cát • L cn t ng tr n c m r ng (Extended Detention Storage); c qua t ng l c; • Q trình h p thu sinh h c ch t dinh d ng – ch t ô nhi m b i màng sinh h c (màng t o b i vi khu n); • Quá trình h p ph ch t dinh d ng phân h y ch t ô nhi m b i vi sinh v t đ t; • Q trình h p ph ch t kim lo i dinh d ng b i h t t ng l c cát Hình 3.27 d i cho m t c t n hình c a h th ng l c n c sinh hóa s trình bày c u t o l p l c h th ng (l u ý h th ng đ s d ng giai đo n v n hành, khu th hóa đ a vào s d ng) Hình 3.27 M t c t n hình c a h th ng l c n c sinh hóa 93 3.3.5 ng d ng mơ hình MUSIC tính tốn thi t k h th ng cơng trình x lý ch t l ng n c a Công trình l ng đ ng bùn cát h t thơ CSF (Coarse Sediment Forebays) Cơng trình l ng đ ng bùn cát h t thô CSF th c t không đ c thi t k t mơ hình MUSIC (phiên b n m i nh t c a Mơ hình MUSIC ch a tích h p kh n ng mơ ph ng h th ng l ng đ ng bùn cát h t thơ CSF) Cơng trình th c ch t m t cơng trình ph tr c a h th ng x lý n c sinh hóa nh m ng n ch n ph n h t thô xâm nh p làm t c h th ng x lý n vào đ c thi t k d a vào H đô th nh y c m v n c sinh hóa Cơng trình đ ng d n thi t k k thu t theo ph c thi t k d a ng pháp Thi t k c cho khu v c đông nam Queensland, 2006 Cơng trình l ng đ ng bùn cát h t thô đ c thi t k theo công th c sau: Vs = Ac R Lo Fc Trong đó: Vs: Th tích u c u đ i v i cơng trình l ng đ ng bùn cát thơ (m³); Ac: Di n tích l u v c đ vào cơng trình l ng đ ng bùn cát thơ (m²); Lo: H s v n chuy n bùn cát (m³/ha/n m); Fc: T n su t thu d n (n m) Di n tích c a cơng trình l ng đ ng bùn cát thơ đ c tính nh sau: As = Trong đó: Ds: Chi u sâu c a cơng trình l ng đ ng bùn cát thơ B ng 3.30 trình bày tóm t t tính tốn u c u c a cơng trình l ng đ ng bùn cát h t thô 94 B ng 3.30 Tính tốn cơng trình l ng đ ng bùn cát h t thơ Tên Di n tích l u v c cơng trình đóng góp dịng ch y (ha) A 1.70 b H th ng l c n H th ng l c n Q 3tháng L u T cđ l ng l ng dòng (m/s) ch y vào (m³/s) 0.13 0.1 Di n tích khu l ng (m²) 15 Hi u sâu su t b i (m) l ng (%) 0.15 80% c sinh hóa – BS c sinh hóa đ c thi t k s d ng ph n m m MUSIC theo ph ng pháp th sai Các thông s thi t k cho h th ng l c n c sinh hóa bio-retention đ c trình bày B ng 3.31 Hình 3.28 B ng 3.31 Thông s thi t k c a h th ng x lý n c sinh hóa Bio-retention Thơng s thi t k Di n tích b m t (m ) Di n tích b l c có đ c tính tốn thích h p hay khơng? (Có / Không / không áp d ng) sâu t ng tr n c m r ng phía b l c (EDD) (m) Di n tích ph n l c (m2) B l c không đ c b c ch ng th m xung quanh (m) Th m th y l c bão hòa (mm/gi ) sâu t ng l c (m) T ng l ng nit ch a b l c (mg/kg) T l ch t h u c b l c (%) Orthophosphate ch a b l c (mg/kg) áy b l c có đ c b c ch ng th m khơng? (Có/Khơng) (impermeable liner) Hi u qu lo i b t ng Nit c a th c v t (hi u qu /không hi u qu /khơng có th c v t) Chi u r ng đ p tràn t (m) Có s d ng đ ng ng thu n c (sau x lý) d i t ng l c không? (Có/ Khơng) Có kh ng đ nh K C* s d ng giá tr m c đ nh không? (Có/ Khơng) A 324 Có 0.3 224 Khơng áp d ng 200 0.5