Trong tính toán thuỷ văn (mƣa-dòng chảy) đô thị có các phƣơng pháp tính toán, thƣờng đi cùng với bộ mô hình thuỷ lực đƣờng ống, bao gồm cả công thức kinh nghiệm và mô hình toán. Điều kiện áp dụng của mỗi phƣơng pháp có độ chính xác khác nhau tùy thuộc vào mức độ chi tiết của phƣơng pháp tính đồng thời với yêu cầu chi tiết của tài liệu cho tính toán. Một số phƣơng pháp tính toán phổ biến nhƣ sau:
1.2.2.1 Phương pháp kinh nghiệm
- Phƣơng pháp căn nguyên dòng chảy (Rational):
Qp= 2,78 * Cv * Cr * i * F (1-1)
(trong đó: Cv là hệ số tổng lƣợng dòng chảy, Cr là hệ số hình dạng, i là độ dốc lƣu vực, F là diện tích lƣu vực). Công thức thƣờng dùng tính biểu đồ dòng chảy lũ thiết kế của lƣu vực trên cơ sở kinh nghiệm chuyên gia và thƣờng có sẵn giá môđun dòng chảy lũ của lƣu vực. Việc áp dụng cho lƣu vực đô thị có bề mặt thay đổi phức tạp thƣờng không chính xác.
1.2.2.2 Phương pháp mô hình thuỷ văn Viện Thuỷ lực Đan Mạch (Mike-RR)
Bộ mô hình thuỷ lực của Viện Thuỷ lực Đan Mạch rất nổi tiếng trên thế giới với các mô hình thuỷ lực nhƣ Mike11, Mike21, Mike3, Mike SHE và Mike Flood nhằm mô phỏng chế độ thuỷ lực 1, 2 và 3 chiều và chất lƣợng nƣớc trong hệ thống sông kênh, hồ chứa, cửa sông ven biển và mối liên quan nƣớc mặt và tầng nƣớc ngầm. Trong mỗi mô hình khi mô phỏng thuỷ lực sông có gắn với lƣu vực sông cần sử dụng các mô hình thuỷ văn. Các mô hình thuỷ văn đƣợc sử dụng trong bộ mô hình gồm:
a) Mô hình mƣa-dòng chảy NAM [15]
NAM là mô hình mƣa-dòng chảy khái niệm, tất định và thông số gộp. NAM mô tả lƣu vực với 4 tầng chứa thuộc tầng bề mặt và tầng rễ cây. NAM có 9 thông số mô tả đặc tính thuỷ văn bề mặt, tầng rễ cây và tầng nƣớc ngầm.
Các thông số dòng chảy mặt gồm Hệ số dòng chảy mặt và Hằng số thời gian diễn toán dòng chảy (Overland flow runoff coeff. và Time constant for routing interflow). Cấu trúc và các thông số trong mô hình NAM nhƣ vậy không phù hợp với lƣu vực đô thị vì không có thông số phản ánh tính chất đặc thù của bề mặt lƣu vực đô thị đƣợc phân chia thành các bộ phận nhỏ bởi hạ tầng đô thị và có mức độ thấm nƣớc rất khác nhau do sự bê tông hóa.
b) Mô hình biểu đồ đơn vị mƣa-dòng chảy (UHM) [15]
Mô hình biểu đồ đơn vị sẽ dùng để tính toán dòng chảy từ mƣa lƣu vực trong trƣờng hợp không có số liệu đo dòng chảy trên sông và ở lƣu vực đó đã thiết lập biểu đồ đơn vị. Mô hình gồm có một số biểu đồ đơn vị để tính dòng chảy từ các trận mƣa đơn lẻ. Mô hình chia lƣợng mƣa thành hai thành phần là lƣợng nƣớc tạo dòng chảy và lƣợng nƣớc tổn thất do thấm.
Mô hình biểu đồ mƣa đơn vị có thể áp dụng tính mƣa đô thị. Nhƣng trƣớc hết phải lập biểu đồ mƣa đơn vị.
Tuy nhiên khi mô phỏng lƣu vực đô thị với các kịch bản đô thị hoá khác nhau thì mô hình biểu đồ đơn vị thiếu thông số để tính toán chính xác.
c) Mô hình mƣa-dòng chảy SMAP [15]
SMAP là mô hình mƣa-dòng chảy dạng khái niệm thông số gộp. SMAP thiết kế để tính dòng chảy dựa trên số liệu mƣa tháng. Mô hình để dùng cho các nghiên cứu quy hoạch lƣu vực hay tính toán điều tiết hồ chứa. Với chức năng nhƣ vậy SMAP không thích hợp cho tính toán thủy văn đô thị.
Với tên Urban (đô thị), mô hình này có nghĩa đƣợc thiết kế để tính toán thuỷ văn đô thị. Mô hình có hai dạng, dạng A-sử dụng phƣơng pháp tỷ lệ Thời gian/diện tích, dạng B-sử dụng phƣơng pháp hồ phi tuyến (sóng động học).
Hình 1-8: Giao diện nhập thông số lƣu vực mô hình Urban-A
Mô hình Urban-A xác định tỷ lệ diện tích không thấm và có các thông số cơ bản nhƣ Thời gian tập trung dòng chảy, Tổn thất ban đầu, Hệ số triết giảm và chọn dạng đƣờng quan hệ Thời gian-Diện tích. Giao diện mô hình nhƣ Hình 1-5.
Hình 1-9: Giao diện nhập thông số lƣu vực mô hình Urban-B
Mô hình Urban-B cần xác định chiều dài và độ dốc lƣu vực, mỗi lƣu vực cần phân chia diện tích thấm và không thấm. Vùng không thấm cần xác định phần lƣu vực dốc và phẳng. Vùng thấm cần xác định diện tích thấm ít, thấm trung bình và thấm nhiều. Mỗi vùng của lƣu vực đều có hệ số cản dòng chảy Manning. Giao diện mô hình nhƣ Hình 1-6.
Với tính năng nhƣ vậy, mô hình Urban là thích hợp để tính toán mƣa-dòng chảy đô thị với yêu cầu số liệu không quá phức tạp và thể hiện đƣợc đặc trƣng lƣu vực với mức đô thị hoá khác nhau.
e) Mô hình mƣa-dòng chảy lũ FEH [15]
Tên mô hình là cụm từ ‘cẩm nang tính toán lũ’ viết tắt. Mô hình có các tính năng:
- Tính mƣa tần suất,
- Tính toán thống kê xác định tần suất lũ, - Ứng dụng phƣơng pháp tính mƣa-dòng chảy, - Bảng mô tả đặc trƣng lƣu vực.
Trong mô hình Mike-FEH sử dụng mô hình biểu đồ mƣa đơn vị với 2 dạng biểu đồ: dạng biểu đồ tam giác và dạng biểu đồ do ngƣời sử dụng quy định.
Với tính năng nhƣ vậy, mô hình FEH cũng không hoàn toàn thích hợp để tính thuỷ văn đô thị.
f) Mô hình mƣa-dòng chảy lũ DRiFt [15]
DRiFt (viết tắt của cụm từ ‘Dự báo dòng chảy sông’) là mô hình mƣa-dòng chảy thông số bán phân bố dựa trên tiếp cận hình thái lƣu vực. Mô hình cho phép xem xét đặc trƣng địa hình bề mặt lƣu vực, biến đổi đặc trƣng đất trên lƣu vực và dạng mƣa.
- Hình thái sông cần sử dụng mô hình cao độ số.
- Thông số bề mặt lƣu vực gồm lƣu tốc dòng chảy trong sông và trên sƣờn
dốc lƣu vực.
Với tính năng nhƣ vậy, mô hình DRiFt cũng không thích hợp để tính thuỷ văn đô thị.
1.2.2.3 Mô hình thuỷ văn của Cục Công binh Hoa kỳ (HEC-HMS)
Hệ thống mô hình thuỷ văn HEC-HMS [22] đƣợc thiết lập để mô phỏng quá trình mƣa-dòng chảy của lƣu vực. Hệ thống có thể ứng dụng cho nhiều dạng lƣu vực và nhiều vấn đề thuỷ văn, bao gồm cấp nƣớc, thuỷ văn lũ, vùng đô thị nhỏ hay lƣu vực tự nhiên. Biểu đồ dòng chảy do HEC-HMS mô phỏng đƣợc nối kết trực tiếp với các mô hình tiêu thoát nƣớc đô thị, dự báo lũ, mô hình đánh giá ảnh hƣởng đô thị hoá, thiết kế tràn xả hồ chứa, điều tiết và giảm nhẹ lũ và vận hành hệ thống thuỷ lợi.
Một số mô hình mƣa-dòng chảy đƣợc sử dụng trong HEC-HMS gồm:
- Mô hình biểu đồ đơn vị với các phiên bản truyền thống và các phiên bản đƣợc cải tiến bởi Snyder, Cơ quan bảo tồn đất đai, Clark và có thể do ngƣời sử dụng diễn toán.
- Mô hình sóng động học nhƣ đƣợc mô tả trong bộ Mike-RRM.
Nhìn chung, bộ mô hình mƣa-dòng chảy HEC-HMS chƣa thích hợp cho loại mô hình thuỷ văn đô thị có đặc thù bề mặt không thấm và đƣợc điều tiết bởi hệ thống cơ sở hạ tầng và hệ thống thoát nƣớc nhân tạo.
1.2.2.4 Nhận xét về mô hình thuỷ văn đô thị
Trong các loại mô hình đƣợc nêu trên, loại mô hình nhƣ Urban-B là thích hợp nhất để tính toán thuỷ văn đô thị ở TP Hồ Chí Minh với khá đầy đủ tài liệu và đáp ứng các tiêu chí mô phỏng bài toán mƣa-dòng chảy phục vụ quy hoạch và thiết kế hệ thống tiêu thoát nƣớc.
Trong trƣờng hợp thiếu tài liệu về đặc trƣng lƣu vực thì có thể sử dụng loại mô hình Urban-A.
Mô hình biểu đồ đơn vị cũng có thể sử dụng cho các bài toán mô phỏng hiện trạng thuỷ văn thuỷ lực đô thị.