1.2.3.1 Mô hình SWMM
dòng chảy trong hệ thống thoát nƣớc đô thị và dòng chảy sông kênh trên cơ sở giải hệ phƣơng trình Saint Venant cho dòng chảy một chiều không ổn định. [21]
Phương pháp giải: Giải hệ Saint Venant cho hệ đƣờng ống bằng sơ đồ sai phân hữu hạn và phƣơng pháp giải hiện.
Điều kiện chảy bình thường: SWMM dùng hệ phƣơng trình Saint-Venant để mô tả cả dòng chảy trong kênh và trong đƣờng ống, tuy nhiên dòng chảy trong đƣờng ống thƣờng có các chế độ chảy ngập hay tự do, có áp hay không có áp, tức là phải tính tới tổn thất cột áp. Nhƣ vậy khi dùng chung hệ Saint-Venant sẽ không phản ánh đƣợc các tổn thất. Thông thƣờng trong đƣờng ống các nhà kỹ thuật thƣờng dùng tích phân Bernoulli
Quá tải hố ga: SWMM quan niệm điều kiện quá tải hố ga khi mức nƣớc vƣợt đỉnh ống nối vào nút. Trong điều kiện đó diện tích bề mặt ống kín bằng zero và phƣơng trình cơ bản không áp dụng đƣợc. Để giải quyết vấn đề này, SWMM thay thế phƣơng án điều kiện liên tục tại nút với giả thiết tổng dòng chảy tràn từ nút bằng tổng dòng chảy vào, ΣQ = 0. Với giả thiết đó cũng không đủ điều kiện tính mực nƣớc tại nút ở bƣớc thời gian kế tiếp do phƣơng trình chỉ có biến dòng lƣu lƣợng. Hơn nữa, vì phƣơng trình tính lƣu lƣợng và mực nƣớc trong hệ thống không giải đồng thời, nên không đảm bảo những điều kiện tại nút tràn sau khi giải phƣơng trình lƣu lƣợng.
Trạm bơm, ống vòi và cống đập: Mô hình mô phỏng các loại công trình nối với 2 nút. Dòng chảy qua công trình sẽ tính toán trên số liệu mực nƣớc các nút. Riêng trạm bơm cần gán điều kiện vận hành nhƣ mực nƣớc tại điểm kiểm soát, chênh cột nƣớc các nút.
Chi tiết về thuật toán và phƣơng pháp giải bài toán thuỷ lực trong SWMM đƣợc trình bày trong tài liệu kỹ thuật. [21]
Cách tính mưa-dòng chảy:Dòng chảy do mƣa đƣợc tính toán trong các tiểu lƣu vực (catchment). Đặc trƣng vật lý của tiểu lƣu vực bao gồm đặc trƣng hình học, vùng thấm và không thấm, lƣợng trữ bề mặt và diễn toán dòng chảy giữa và tiểu lƣu vực.
Lƣợng dòng chảy từ tiểu lƣu vực đƣợc nhập vào các nút cống hoặc kênh. Cách tính mƣa trong SWMM cũng phản ánh đƣợc tính chất mƣa-dòng chảy vùng đô thị.
a) Ứng dụng của SWMM mô phỏng cống thoát nƣớc ở TP Hồ Chí Minh
Tác giả Hồ Long Phi [3] ứng dụng mô hình SWMM mô phỏng thủy lực trên mô hình SWMM và mô phỏng những điều tra thực tế cho tuyến cống thoát nƣớc đƣờng phố. Hình 1-7 thể hiện mô phỏng ngập trên đƣờng Lê Văn Thọ quận Gò Vấp cho thấy một khi khả năng thoát nƣớc của đoạn cống hạ lƣu bị cản trở bởi thủy triều, đƣờng áp lực trong cống dâng lên rất nhanh và gây ngập cả những khu vực có cao độ trên 5m.
Hình 1-10: Sơ đồ biểu diễn ngập úng bề mặt đƣờng (hai chấm đỏ tròn) có cống ngầm
Hạn chế của mô hình SWMM trong nghiên cứu này: Tuy tác giả đã nhận định việc áp dụng mô hình SWMM mô phỏng đƣợc sự quá tải của đƣờng ống gây ngập ứng đƣờng phố và tác động của việc nạo vét kênh Tham Lƣơng-Bến Cát là giảm mực nƣớc trên kênh. Tuy nhiên, kết quả tính toán chƣa thể hiện tác động của thủy triều vào hệ thống cống ngầm.
b) Ứng dụng của SWMM ở lƣu vực Tham Lƣơng-Bến Cát
Nhóm tác giả Lê Trung Thành và Trần Hữu Hoàng [6] đã ứng dụng phần mềm SWMM cho bài toán thuỷ lực tiêu thoát nƣớc cho lƣu vực kênh Tham Lƣơng-
Bến Cát-Nƣớc Lên là khu vực thuộc quận ven đô TP Hồ Chí Minh, trong địa bàn có nhiều khu công nghiệp, hệ thống kênh rạch gồm các đƣờng ống tiêu thoát kết hợp hệ thống kênh mƣơng nối với sông Sài Gòn và chịu ảnh hƣởng triều.
Dòng chảy do mƣa lấy hệ số dòng chảy theo kinh nghiệm với môđun dòng chảy khoảng 70-100 l/s/ha nhập vào các nút của mô hình cống.
Diễn biến mực nƣớc tại Vàm Thuật trên sông Sài Gòn và Chợ Đệm trên sông Bến Lức (từ kết quả bài toán thuỷ lực sông kênh toàn vùng hạ lƣu sông Đồng Nai- Sài Gòn) làm điều kiện biên cho mô hình SWMM kênh Tham Lƣơng-Bến Cát- Nƣớc Lên.
Kết quả tính toán:
Phƣơng án tính toán có trận mƣa tiêu có thời gian trùng với đỉnh triều. Kết quả tính toán mực nƣớc một số vị trí trên kênh Tham Lƣơng-Bến Cát-Nƣớc Lên đƣợc so sánh phù hợp với kết quả tính của mô hình VRSAP. [6]
Hạn chế của mô hình SWMM:
Mô hình SWMM trong nghiên cứu này không tính toán thuỷ lực sông kênh toàn mạng mà phải dùng mô hình toàn mạng khác để tính và xác định biên mực nƣớc hai đầu kênh Tham Lƣơng-Nƣớc Lên.
Mạng cống ngầm đƣợc mô phỏng nhƣng tác giả không trình bày và phân tích diễn biến mực nƣớc trong cống trong trƣờng hợp mƣa gây úng và chịu ảnh hƣởng thuỷ triều tác động vào hệ thống cống.
Thiếu số liệu đo đạc mực nƣớc trên kênh và điều tra ngập úng trên đô thị là hạn chế lớn để đánh giá kết quả nghiên cứu mô phỏng tiêu thoát nƣớc đô thị bằng SWMM.
1.2.3.2 Mô hình Mike
a) Cơ sở lý thuyết nhóm mô hình MIKE
Cơ sở lý thuyết về mô hình thuỷ lực đƣờng ống MOUSE [16], thuỷ lực một chiều sông kênh MIKE11 [17] hay thuỷ lực hai chiều MIKE21 [18] đƣợc phát triển mạnh và phổ biến rộng rãi theo hình thức thƣơng mại.
Bộ mô hình có môđun đƣờng ống MOUSE có thể liên kết với MIKE11 và MIKE21 có thể liên kết với nhau thành bộ MIKE URBAN (MOUSE-MIKE21) hay MIKE FLOOD (cả 3 môđun kết hợp). Cách giải quyết ảnh hƣởng của triều trong URBAN theo nguyên lý cái nọ là hệ quả của cái kia và theo từng môđun độc lập.
Bộ mô hình thích hợp giải quyết bài toán thủy lực cống ngầm nối với sông kênh trên địa bàn rộng nhƣ TP Hồ Chí Minh đòi hỏi bộ môđun MOUSE-MIKE11. Tuy nhiên, cặp môđun này hầu nhƣ chƣa thấy công bố nghiên cứu ứng dụng trong và ngoài nƣớc.
b) Ứng dụng MIKE FLOOD tính toán ngập úng sông Nhuệ-Đáy
Nhóm tác giả [2] đã sử dụng MIKE FLOOD làm công cụ mô phỏng ngập lụt hệ thống sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn TP Hà Nội. Trong đó, mô hình NAM đƣợc sử dụng để xây dựng chuỗi số liệu dòng chảy từ mƣa làm điều kiện biên cho mô hình MIKE FLOOD. Bộ thông số mô hình kết nối 1-2 chiều đƣợc hiệu chỉnh và kiểm định cho hai trận lũ lớn năm 1984 và 2008 tại trạm Phủ Lý (Hình 1-8).
Hình 1-12: Bản đồ ngập lụt tính toán bằng MIKE FLOOD cho lƣu vực sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn TP Hà Nội.
Hạn chế: Mô hình MIKE FLOOD đã mô phỏng tốt diện úng ngập trên địa bàn TP Hà Nội (Hình 1-9). Tuy nhiên kết quả tính toán không bao gồm hệ thống cống ngầm và điều kiện biên không ảnh hƣởng triều.
c) Mô phỏng ngập úng đô thị Dhaka thuộc Bangladesh bằng MOUSE
Thành phố Dhaka đang chịu vấn đề ngập úng đô thị nghiêm trọng. Thành phố có hệ thống đê vành đai chống lũ trên sông. Vào mùa mƣa lũ nƣớc sông cao hơn mặt đất đô thị làm cho việc tiêu thoát nƣớc khó khăn.
Nhóm tác giả [13] ứng dụng mô hình toán MOUSE mô phỏng hệ thống cống ngầm tiêu nƣớc liên kết với tính toán dòng chảy bề mặt (sơ đồ thủy lực Hình 1-10).
Mô hình dùng để mô phỏng hiện trạng ngập úng và một số phƣơng án chống ngập.
Mô phỏng khu ngập:
Khi mô hình MOUSE tính toán mực nƣớc trong hố ga cao hơn mặt đất sẽ xảy ra hiện tƣợng úng ngập bề mặt.
Mô phỏng ngập úng năm 1996: Hệ thống tiêu nƣớc thời kỳ năm 1996 khi chƣa hoàn thành tuyến cống hộp quan trọng nên các hệ thống tiêu nƣớc còn khó khăn để thu gom nƣớc vào kênh tiêu.
Mô phỏng hiện trạng hệ thống tiêu nước: Với hệ thống công trình tiêu thoát nƣớc năm 1996 và hiện trạng đều cho thấy ngập úng cục bộ trên đƣờng phố Shantinagar với độ sâu ngập 55 cm trong vòng 16 giờ. Nguyên nhân ngập đƣợc khẳng đinh là do hệ thống cống ngầm và hố ga thoát nƣớc chƣa đủ khả năng tiêu thoát nƣớc mƣa.
Giải pháp chống ngập: Kết quả mô hình cho thấy hệ thống cống ngầm thoát nƣớc chƣa hợp lý, xảy ra hiện tƣợng thắt cổ chai ở khu vực thoát nƣớc làm ngập úng bề mặt đô thị. Biện pháp cải tạo đƣờng ống thoát nƣớc hợp lý giảm đƣợc úng ngập ở khu vực nghiên cứu.
Hình 1-13: Sơ đồ hệ thống tiêu nƣớc lƣu vực Segunbagicha năm 1996
Nhận xét: Mô hình thủy lực đô thị MOUSE kết hợp GIS đã mô phỏng đƣợc hiện trạng úng ngập. Tuy nhiên, ứng dụng ở đây chỉ mô phỏng đƣợc hệ thống cống ngầm và một đoạn kênh đô thị mà chƣa xem xét đƣợc tổng thể vấn đề bài toán đƣờng ống nối ghép với hệ sông kênh.
1.2.3.3 Mô hình F28
Tác giả Lê Song Giang nhận thấy rằng những phần mềm tính toán tiêu thoát nƣớc đô thị đƣợc sử dụng miễn phí nhƣ SWMM thì tính năng khá hạn chế, phần
mềm mạnh nhƣ MOUSE có giá khá cao và không thể thay đổi quy trình tính toán nếu có nhu cầu [5], do đó phần mềm F28 đƣợc xây dựng. Trong F28 các môđun tính toán các dòng chảy đƣợc phát triển là: dòng chảy trên mặt đất (rainfall-runoff); dòng chảy trong cống và trên mặt đƣờng; dòng chảy một chiều trong kênh/sông; dòng chảy hai chiều trong các khu trũng, ngập. Tất cả các môđun tính toán đó đều dùng phƣơng pháp thể tích hữu hạn để giải các phƣơng trình cơ bản. Ngoài ra việc kết nối giữa các môđun cũng đã đƣợc quan tâm sao cho việc nối tiếp giữa các dòng chảy phải thoả điều kiện bảo toàn cả về thể tích lẫn động lƣợng.
Mô hình F28 tính toán dòng chảy tràn trên bề mặt lƣu vực (môđun mƣa rào- dòng chảy) theo hai phƣơng pháp: bể chứa phi tuyến và sóng động lực học.
Phƣơng pháp tính mƣa rào dòng chảy của F28 cũng chƣa quan tâm đến việc phân chia bề mặt lƣu vực thành các bộ phận thấm và không thấm rất đặc trƣng của đô thị.
Dòng chảy trong kênh, sông đƣợc coi là một chiều và đƣợc mô tả bởi phƣơng trình Saint–Venant.
Dòng chảy trong cống và trên đường:
Dòng chảy trong cống về bản chất cũng là 1 chiều, nhƣng có lúc ở trạng thái không áp, có lúc lại ở trạng thái có áp. Mô hình thiết lập 3 trạng thái dòng chảy: không áp, có áp nhƣng hố ga chƣa ngập và có áp với hố ga ngập (có khả năng thiếu trường hợp chế độ dòng chảy một đầu ngập, một đầu không ngập).
Mô phỏng dòng chảy trong cống nối với kênh vùng triều:
Mô hình F28 đƣợc thử nghiệm với hai trƣờng hợp:
- Trƣờng hợp đơn giản là mô phỏng đoạn cống có lƣu lƣợng nhập vào hố ga và cửa cống có mực nƣớc biến đổi theo quy luật hình ‘sin’. Kết quả mô phỏng cho thấy mực nƣớc tại hố ga biển đổi theo xu thế mực nƣớc biên.
- Trƣờng hợp phức tạp là mô hình hệ thống cống khu vực Thủ Thiêm TP Hồ Chí Minh gắn với mô hình sông kênh Đồng Nai-Sài Gòn trong điều kiện mƣa và ảnh hƣởng triều. Mô hình đã mô phỏng độ ngập do mƣa hợp lý. Tuy nhiên, ảnh
hƣởng triều vào hệ thống cống chƣa nhận thấy đƣợc bởi cao trình mặt đất (2,0- 2,5m) cao hơn đỉnh triều (1,35m).
Kết nối các dòng chảy:
Phần mềm xem xét 2 hình thức liên kết các mô hình thành phần: liên kết bằng nút chung và liên kết bằng dòng chảy tràn.
Tóm tắt về cách giải số các phƣơng trình dòng chảy trong cống và trên đƣờng trong mô hình F28 đƣợc trình bày trong [5].
Nhận xét: Mô hình F28 đã mô phỏng đƣợc hệ thống đƣờng ống nối với mạng sông kênh và mô phỏng đƣợc hiện tƣợng úng ngập do mƣa lớn. Một số ví dụ khác của nghiên cứu mô hình F28 cũng trình bày kết quả mô phỏng dòng chảy bãi tràn với kênh, chảy qua công trình và chảy từ mặt đƣờng xuống cống ngầm. Tuy nhiên, vấn đề ảnh hƣởng triều vào hệ thống cống ngầm chƣa đƣợc phân tích trình bày trong nghiên cứu. Trong tính toán cũng không sử dụng mực nƣớc thực đo trên sông và điều tra điểm ngập trên đô thị để kiểm định mô hình sông kênh và mô hình cống ngầm đô thị.