L ỜI CẢM ƠN
2.4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH SWMM
SWMM được xây dựng ở hai trường đại học San Phansico và Florida (Mỹ) do
30
chất và lượng nước của lưu vực thoát nước đô thị và tính toán quá trình chảy tràn từ
mỗi lưu vực bộ phận đến cửa nhận nước của nó.
SWMM ra đời tại Mỹ từnăm 1971 và liên tục được cải tiến.Các phiên bản đầu của SWMM được viết bằng ngôn ngữ lập trình Fortan và chỉ có giao diện bằng chữ
(texs) trên nền DOS. Mô hình liên tục được cập nhập và phiên bản mới nhất là SWMM 5.0.018 ra ngày 18/11/2009 càng có nhiều tính năng ưu việt.
Mô hình quản lý nước mưa SWMM là một bộ mô hình toán học toàn diện (phần mềm), dùng để mô phỏng khối lượng và tính chất dòng chảy đô thị do mưa và
hệ thống cống thoát nước thải chung.Mọi vấn đề về thủy văn đô thị đều được mô phỏng bao gồm dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm vận chuyển qua mạng lưới hệ
thống tiêu thoát nước cùng các hồ chứa và các cống điều tiết.
Thành phần dòng chảy mặt của SWMM đề cập đến tổ hợp của một tiểu lưu vực nhận lượng mưa (kể cả tuyết), tạo thành dòng chảy và vận chuyển chất ô nhiễm.
Phần mô phỏng dòng chảy tuyến của SWMM đề cập đến sự vẩn chuyển dòng chảy nước mặt qua một hệ thống các ống, các kênh, các công trình trữ hoặc điều tiết
nước,các máy bơm và các công trình điều chỉnh nước. SWMM theo dõi số lượng và chất lượng của dòng chảy sinh ra trong phạm vi mỗi lưu vực thu nước, và theo dõi mức độlưu lượng, độ sâu dòng chảy và chất lượng nước trong mỗi đường ống và kênh dẫn trong suốt thời gian mô phỏng (bao gồm rất nhiều các bước thời gian).[9]
2.4.2 Cấu trúc của mô hình
31 Trong sơ đồ trên bao gồm các khối sau:
Khối “dòng chảy” (Runoff block) tính toán dòng chảy mặt và ngầm dựa trên biểu đồquá trình mưa (và/hoặc tuyết tan) hàng năm, điều kiện ban đầu về sử dụng đất
và địa hình.
Khối “truyền tải” (Transport block) tính toán truyền tải vật chất trong hệ thống
nước thải.
Khối “chảy trong hệ thống” (Extran block) diễn toán thủy lực dòng chảy phức tạp trong cống, kênh…
Khối “Trữ/xử lý“(Strorage/Treatment block) biểu thị các công trình tích nước
như ao hồ…và các công trình xửlý nước thải, đồng thời mô tảảnh hưởng của các thiết bị điều khiển dựa trên lưu lượng và chất lượng - các ước toán chi phí cơ bản cũng được thực hiện.
Khối “nhận nước” (Receiving block) Môi trường tiếp nhận.[9]
2.4.3. Các thành phần của mô hình SWMM
Hinh 2.5: Các thành phần của hệ thống mô phỏng của SWMM + Subcatchment (tiểu lưu vực)
Subcatchment: Tiểu lưu vực là thành phần của hệ thống tiêu. Nơi thể hiện mối quan hệmưa-dòng chảy cần xác định điểm nước ra cho mỗi Subcatchment tại một nút của hệ thống tiêu. Trong Subcatchment có thể được chia thành vùng thấm và vùng không thấm. Trên mỗi Subcatchment, SWMM cũng có thể mô phỏng quá trình tích luỹ, phân phối lại và tan của tuyết, dòng chảy nước ngầm giữa tầng ngậm nước bên
32 dưới Subcatchment với một nút của hệ thống tiêu, quá trình tích lũy và rửa trôi các chất ô nhiễm.
+Junction Nodes (nút nối)
Junction là các nút của hệ thống tiêu có nối các Link với nhau. Các nút có thể là nơi gặp nhau của các kênh, các giếng thăm trong hệ thống thoát nước, hoặc những vị trí nối đường ống. Dòng chảy từ bên ngoài có thể vào hệ thống tiêu qua các nút. Khi các kênh/đường ống làm việc quá tải thì có thể xảy ra hiện tượng ứ nước ở các nút. Lượng nước thừa này có thể chảy ra khỏi hệ thống thoát nước hoặc cho phép hình thành một "ao" ở trên đỉnh của nút và sau đó lượng nước đó lại chảy trở lại vào trong
nút.
+ Outfall Nodes (cửa ra)
Outfall là những nút cuối cùng của hệ thống tiêu, thường được định nghĩa là điều kiện biên dưới của diễn toán dòng chảy sóng động lực học. Đối với những cách diễn toán dòng chảy khác thì nó được xem như là một nút. Chí có một link có thểđược nối tới nút Outfall.
+ Flow Divider Nodes (nút chia nước)
Flow Dividers là những nút của hệ thống tiêu, nó có chức năng hướng những dòng chảy vào của nút đến kênh dẫn / đường ống ra khỏi nút theo một cách xác định.
Một Flow Divider có không nhiều hơn hai Conduit (kênh/đường ống) đi ra khỏi nó. Flow Dividers chỉ hoạt động khi diễn toán dòng chảy theo mô hình sóng động học.
+ Storage Units (công trình trữnước)
Storage Units là những nút của hệ thống tiêu, chúng thực hiện chức năng trữ nước. Khảnăng trữ của một Storage Unit có thể nhỏnhư là một tiểu lưu vực hoặc lớn
như là một hồ. Thuộc tính trữnước của một Storage Unit có thểđược mô tảnhư là một hàm của diện tích bề mặt và độ sâu.
+ Conduits (đường dẫn)
Conduits là đường ống hoặc kênh dẫn, chúng thực hiện chức năng dẫn từ một nút này tới một nút khác trong hệ thống vận chuyển. Hình dạng mặt cắt ngang của chúng có thể có dạng hình học kín, hở theo tiêu chuẩn hoặc ở dạng tự nhiên.
33
Pumps nối hai nút của hệ thống tiêu với nhau, có nhiệm vụđưa nước từ vị trí thấp đến vịtrí cao hơn hay thoát ra khỏi lưu vực. Đặc tính làm việc của bơm được xác
định dựa vào đường đặc tính của máy bơm do nhà sản xuất máy bơm cung cấp, mô tả
mối quan hệ giữa lưu lượng và cột nước (chiều cao dược được bơm lên).
+ Flow Regulators (công trình điều tiết nước)
Flow Regulator là các công trình hoặc thiết bịđược sử dụng đểđiều tiết dòng chảy trong hệ thống vận chuyển nước. Chúng thường được sử dụng đểđiều chỉnh việc xảnước khỏi các công trình trữnước; ngăn cản việc xảnước không hợp lý; hướng dòng chảy đến các công trình xử lý. [9]
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.
2.4.5. Các ứng dụng điển hình của SWMM
Kể từ khi xuất hiện, SWMM đã được sử dụng trong nhiều trong những nghiên cứu vềnước thải và nước mưa. Những ứng dụng điển hình của SWMM bao gồm:
Thiết kế và bố trí các thành phần của hệ thống tiêu để kiểm soát lũ.
Bố trí công trình trữ nước (điều hòa nước) và các thiết bị của chúng để kiểm
soát lũ và bảo vệ chất lượng nước.
Vạch ra các phương án giảm hiện tượng chảy tràn của mạng lưới thoát nước hỗn hợp
Đánh giá tác động của dòng chảy vào và dòng chảy tràn của mạng lưới thoát
nước hỗn hợp.
Đánh giá tính hiệu quả của BMP để làm giảm sự tải chất ô nhiễm khi trời
mưa.[9]
2.4.6. Khảnăng mô phỏng của mô hình SWMM
Mô phỏng các mạng lưới với quy mô không giới hạn. Những quá trình đó bao gồm:
- Biến đổi của mưa theo thời gian;
- Bốc hơi bề mặt;
37
- Thấm của mưa vào lớp đất thấm chưa bão hoà;
- Nước thấm từ nước mặt chảy vào trong nước ngầm;
- Sự trao đổi dòng chảy giữa nước ngầm và hệ thống tiêu;
- Diễn toán hồ chứa phi tuyến của dòng chảy trên mặt đất
- Sự khác nhau theo không gian của tất cả các quá trình này được thể hiện bằng cách chia vùng nghiên cứu thành những tiểu lưu vực đồng nhất nhỏ hơn, mỗi tiểu lưu vực có tỉ số giữa diện tích thấm và không thấm riêng.
SWMM cũng bao gồm một tập hợp các khả năng mô phỏng thuỷ lực mềm dẻo sử dụng để diễn toán dòng chảy và những dòng chảy bên ngoài vào hệ thống thoát nước hình thành nên bởi mạng lưới các công trình đường ống, kênh dẫn, công trình chứa nước hoặc xử lý nước, công trình dẫn dòng. Các khả năng đó là:
- Mô phỏng các mạnglưới với quy mô không giới hạn.
- Sử dụng các ống dẫn có hình dạng mặt cắt khác nhau, các kênh tự nhiên; - Mô phỏng các yếu tố đặc biệt như là hồ chứa/công trình xử lý, công trình phân
dòng chảy, bơm, tràn, lỗ.
- Các dòng chảy từ bên ngoài như dòng chảy vào kênh dẫn từ nước ngầm, dòng chảy vệ sinh khi thời tiết khô hạn, và dòngchảy do người sử dụng xác định.
38
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWMM MÔ PHỎNG
DÒNG CHẢY DO MƯA CHO LƯU VỰC NGHIÊN CỨU
3.1. ĐẶC ĐIỂM MƯA VÀ TÍNH TOÁN MƯA THIẾT KẾ
3.1.1. Đặc điểm mưa
Theo báo cáo “Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn dòng chảy thủy văn đô thị phục vụ xây dựng cơ sở hạ tầng, chỉnh trang đô thị và chống ngập vùng ven sông Sài Gòn – Tỉnh Bình Dương’’, của TS.Trương Văn Hiếu
Tỉnh Bình Dương nói chung và lưu vực Bà Lụa nói riêng là một bộ phận trong vùng nhiệt đới gió mùa ở Nam Bộ. Đặc điểm mưa của khu vực có 2 mùa: mùa khô (ứng với hướng gió Đông – Bắc) và mùa mưa (ứng với hướng gió Tây – Nam).
Trên khu vực, mưa là một trong những yếu tố khí tượng thủy văn có sự phân hóa mạnh mẽ theo không và thời gian. Mùa mưa ở khu vực Bình Dương đến sớm hay muộn phụ thuộc vào hình thế thời tiết xuất hiện (thời gian) trong năm và thường không
đồng đều ở khu vực Nam Bộ(không gian) được thể hiện như sau: [1]
(i) Về thời gian: Thời gian bắt đầu mùa mưa phụ thuộc vào sự xuất hiện sớm hay muộn của hoàn lưu gió mùa tây nam (tháng 5 đến tháng 9) kết hợp với các xoáy thuận nhiệt đới (bão, áp thấp nhiệt đới, áp thấp) hoạt động trên Tây Thái Bình Dương
và Biển Đông làm cho lượng mưa tăng lên. Thời gian chấm dứt mùa mưa thường biểu hiện qua sự xuất hiện của hoàn lưu gió mùa Đông Bắc (tháng 11 đến tháng 3 năm sau)
(ii) Về không gian: Sự bắt đầu mùa mưa xảy ra ở phía Bắc Lưu vực sông Đồng
Nai (Bình Phước, Bảo Lộc, Lâm Đồng) và ven Biền Tây (Kiên Giang, Cà Mau); mùa
mưa đến muộn nhất là vùng ven Biển Đông từ Bà Rịa-Vũng Tàu qua Cần Giờ (TP.HCM) đến Gò Công Đông, Bến tre và Trà Vinh.
Với sự hình thành mưa theo điều kiện khí hậu thời tiết chung ở khu vực Nam Bộ, khu vực nghiên cứu có lượng mưa trung bình từ 1500 - 1950 mm với sự phân mùa
mưa - khô như sau:
- Mùa khô: từ tháng XI - tháng IVnăm sau.
- Mùa mưa: từ tháng V - tháng X
- Khoảng thời gian giao mùa: Trong năm thời kỳ giao mùa của khô - mưa là