L ỜI CẢM ƠN
2.4.4. Cơ sở toán học về dòng chảy của mô hình SWMM
SWMM là mô hình mô phỏng các quá trình theo các bước thời gian rời rạc. Nó
tuân theo các định luật bảo toàn khối lượng, năng lượng, động lượng mỗi khi thích hợp. SWMM mô phỏng sốlượng và chất lượng nước qua các quá trình vật lý sau: Quá trình sinh dòng chảy mặt; Quá trình thấm; Nước ngầm; Tyết tan; Diễn toán dòng chảy;
Ao nước mặt; Diễn toán chất lượng nước.
2.4.4.1. Mô hình RUNOFF
Mô hình RUNOFF thể hiện tính toán dòng chảy mặt theo hai bước:
- Tính toán quá trình mưa hiệu quả
- Tính toán dòng chảy mặt
a. Tính toán lượng mưa hiệu quả
Việc tính toán lượng mưa hiệu quảđược thực hiện bằng phương pháp khấu trừ
tổn thất do thấm, điền trũng, bốc hơi từ bề mặt đất theo thời gian. PEF (t) = N(t) – VP(t) – F(t) – W(t)
Trong đó:
PEF: Lượng mưa hiệu quả (mm) N: Lượng mưa (mm)
F: Lượng thấm vào trong đất (mm)
W(t): Lượng trữ bề mặt – tổn thất điền trũng (mm) t: Thời gian
Trong đó: lượng thấm (F) được ứng dụng bằng phương pháp Horton, Phillip_Ampere hay đường cong tổn thất SCS.
34
b Tính toán dòng chảy mặt
Là phương pháp sóng động học chảy trên bề mặt được mô phỏng dòng chảy tràn trên bề mặt bao gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng.
- Phương trình liên tục: 𝒅𝑽
𝒅𝒕 = 𝑨𝒅𝒅𝒅𝒕 = 𝑨. 𝒊∗− 𝑸
Trong đó:
V : Thểtích nước trên bề mặt lưu vực d : Chiều sâu lớp dòng chảy mặt t : Thời gian
A : Diện tích lưu vực bộ phận
i* : Cường độmưa hiệu quả( từđi lượng tổn thất) Q : Lưu lượng dòng chảy ra khỏi lưu vực đang xét.
- Phương trình động lượng: Phương trình liên tục kết hợp với phương trình Manning dưới dạng : Q = 𝑾𝟏.𝟒𝟗𝒏 (𝒅 − 𝒅𝒑)𝟓/𝟑𝑺𝟏/𝟐
Trong đó:
W : Chiều dài trung bình lưu vực. n : Hệ số nhám Manning.
dp : Tổn thất điền trũng. S : Độ dốc lưu vực.
2.4.4.2 Diễn toán dòng chảy
Diễn toán dòng chảy trong phạm vi một đường ống/kênh trong SWMM bị chi phối bởi các phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng cho dòng chảy không
đều biến đổi chậm (hệphương trình Saint Venant). Người sử dụng SWMM có sự lựa chọn về mức độ chính xác được sử dụng để giải các phương trình này theo các cách sau:
Diễn toán dòng chảy đều. Diễn toán sóng động học. Diễn toán sóng động lực học.
35
Diễn toán dòng chảy đều trình bày cách diễn toán dòng chảy đơn giản nhất bằng cách giả thiết rằng trong mỗi bước thời gian tính toán dòng chảy không ổn định
và đều. Công thức Manning được sử dụng để thể hiện mối quan hệ giữa lưu lượng và diện tích mặt cắt ướt.
Diễn toán dòng chảy đều không thể tính trữnước trên kênh, nước vật, tổn thất ở
cửa vào, cửa ra, dòng chảy có độ dốc ngược, dòng chảy có áp. Nó chỉ được sử dụng với mạng lưới vận chuyển hình cây. Hình thức diễn toán dòng chảy này không nhạy cảm với cách chọn bước thời gian và thực sự thích hợp cho việc phân tích sơ bộ với thời đoạn dài.
Diễn toán dòng chảy sóng động học giải phương trình liên tục cùng với hình thức đơn giản nhất của phương trình động lượng trong mỗi đường ống/kênh. Dòng chảy lớn nhất có thể vận chuyển qua một đường ống/ kênh là giá trị của dòng chảy đầy tính theo công thức Manning. Khi dòng chảy nhập vào các nút có trị số lớn hơn trị số đó thì có hình thành một ao trên đỉnh của nút hoặc một phần lượng dòng chảy bị tổn thất khỏi hệ thống.
Diễn toán dòng chảy sóng động học cho phép dòng chảy và diện tích mặt cắt biến đổi theo cả không gian và thời gian trong phạm vi một đường ống/kênh và
phương trình liên tục tại các nút
Với hình thức diễn toán này, nó có thể mô tả dòng chảy có áp khi một đường
ống kín bị đầy. Úng ngập có thể xảy ra khi chiều sâu ở một nút lớn hơn chiều sâu lớn nhất, và khi đó lượng dòng chảy vượt quá hoặc là bị tổn thất khỏi hệ thống hoặc là hình thành một ao ởtrên đỉnh của nút và quay trở lại hệ thống khi có thể.
Diễn toán sóng động lực học có thể tính toán khả năng trữ nước của kênh,
nước vật, tổn thất ở cửa vào/cửa ra, dòng chảy ứng với độ dốc ngược, và dòng chảy có
áp. Đây là phương pháp được lựa chọn để mô phỏng cho hệ thống chịu sựảnh hưởng
đáng kể của nước vật do sự hạn chế của dòng chảy hạ lưu và sự điều tiết dòng chảy qua tràn hoặc lỗ. Cách diễn toán dòng chảy này đểổn định về mặt số học đòi hỏi bước thời gian mô phỏng nhỏ, khoảng chừng 1 phút hoặc nhỏhơn.[10]
2.4.4.3 Phân chia tiểu lưu vực trong sơ đồ thủy lực cho khu vực nghiên cứu
Việc xác định tiểu lưu vực đô thị là một vấn đề rất phức tạp, thông thường có 2 cách phân chia tiểu lưu vực như sau:
36
- Đối với khu tự nhiên, địa hình có độ dốc lớn thì lưu vực được phân chia bằng
đường phân thủy thông qua dữ liệu địa hình.
- Đối với khu đô thị là khu vực có độ dốc nhỏ hoặc tương đối bằng phẳng, có sự
biến đổi địa hình không rõ rệt.
Lưu vực tính toán được chia thành các lưu vực bộ phận căn cứ vào chiều dài cống thu và hình dạng của lưu vực và mức mộ phân nhánh của hệ thống công với điều kiện khoảng cách từcác lưu vực thoát nước đến các công trình đường ống trên đường phố là ngắn nhất.
Cách phân chia tiểu lưu vực trong đô thịnhư sau:
Căn cứ vào hệ thống tiêu thoát nước hiện trạng, địa hình khu vực, các
đường thoát nước chính đểphân chia lưu vực thành các tiểu lưu vực.
Các tiểu lưu vực được thiết lập với các đặc trưng cần khai báo như: diện
tích, độ dốc và bề rộng trung bình của tiểu lưu vực.