CHƯƠNG IV: TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH THỐT NƯỚC VÀ MƠ HÌNH SWMM
4.2.1. Quá trình vật lý của dịng chảy đơ thị:
Theo tính chất vậy lý của quá trình hình thành và chuyển hố, quá trình mưa, dịng chảy ở một lưu vực đơ thị được chia thành 3 giai đoạn cơ bản:
_ Hình thành dịng chảy: Từ sự xuất hiện của mưa (do tính chất của mặt đệm gây ra tổn thất) nên đây là quá trình tìm kiếm lượng mưa hiệu quả là lựơng mưa thực sự tạo nên quá trình hình thành dịng chảy sau khi bị tổn thất bởi bốc hơi, thấm, và điền trũng.
_ Tập trung dịng chảy trên mặt sừơn dốc: Khi lượng mưa vượt quá các tổn thất thì bắt đầu hình thành dịng chảy trên mặt đất, do tính chất đơ thị các dịng chảy sát mặt đất này được thu gom theo các cống rãnh nhỏ. Với tính phân bố khắp và phức tạp của đường dẫn nên chúng cũng được ghép vào giai đoạn này, như ở TP.HCM cống nối nhỏ cĩ đường kính < 50 cm được ghép vào giai đoạn này.
_ Dịng chảy chung trong hệ thống thốt nước và hệ sơng, kênh rạch tự nhiên:
Dịng chảy được tập trung trong hệ thống cống thốt nước vào các kênh, rạch, sơng và chảy ra sơng lớn để đổ ra biển. Trong giai đoạn này dịng chảy phụ thuộc vào cấu trúc thuỷ lực của hệ thống lịng dẫn. Do vậy cần nắm được những số liệu hình học, loại mặt cắt, vật liệu lịng dẫn.
Các quá trình trên cĩ thể diễn giải như sau:
• Giai đoạn 1: Hình thành dịng chảy.
Dịng chảy mặt đơ thị hình thành chủ yếu từ mưa hiệu quả, nghĩa là lượng mưa đã khấu trừ tổn thất. Tỷ lệ tổn thất ban đầu phụ thuộc vào tình hình mặt đệm và cường độ mưa. Các đặc trưng thuỷ văn của bề mặt đơ thị thay đổi rõ rệt qua tình trạng sử dụng đất và thời gian mưa.
Dựa vào đặc tính thuỷ văn, bề mặt đơ thị được chia thành hai loại diện tích: loại thấm như vườn, các bãi cỏ ven các đường giao thơng, bãi đất trồng, cơng
viên… và loại tương đối khơng thấm (nền cứng) như đường phố, hè đường, bãi đỗ xe, mái nhà…
Trong trận mưa, lượng bốc hơi từ mặt nước và thảm thực vật nĩi chung chiểm tỷ lệ nhỏ trong tổn thất, trong khi đĩ lượng thấm vào các lớp đất tự nhiên đã quy hoạch hoặc chưa xây dựng là đáng kê nhất, phụ thuộc vào loại, cách thức sử dụng đất và thay đổi theo mùa. Đĩ chính là tổn thất điền trũng. Điền trũng là một vấn đề rất phức tạp trên bề mặt đơ thị, nĩ phụ thuộc vào quy hoạch và điều kiện địa hình tự nhiên vốn cĩ của một đơ thị. Lượng điền trũng cĩ thể bao gồm 2 loại: loại điền trũng tự nhiên chưa xây dựng như ao hồ kín và loại nhân tạo như các vùng trũng xen kẽ các khu vực xây dựng khơng cĩ đường thốt hoặc cĩ độ đáy thấp hơn cao trình cửa thốt nước. Ở quận Bình Thạnh, hệ thống thốt nước xây dựng khơng đồng bộ hoặc quá tải nên trong các trận mưa lớn, lượng nước bị trữ lại do các ga thu, cống và mương thốt bị tắc và bồi lấp, gây ra điền trũng (ngập úng) cục bộ. Thêm vào đĩ, do cấu trúc đơ thị ở nước ta, dịng chảy sau khi đã hình thành trên nền cứng (mái nhà, đường phố rải nhựa…) lại chảy tràn qua diện tích đất tự nhiên (vườn, khu đất trống…) nên cũng tham gia vào quá trình thấm và điền trũng. Do vậy, ở quận Bình Thạnh lượng tổn thất do điền trũng chiếm tỷ lệ đáng kể trong tổn thất chung. Tuy nhiên việc xác định lượng điền trũng chỉ là ước lượng.
Mặc dù địa hình bề mặt đơ thị khơng đồng đều, song để dơn giản chúng ta vẫn cĩ khả năng nắm được quá trình dịng chảy mặt qua nghiên cứu sự hình thành và tập trung dịng chảy từ mưa qua thấm ở một bề mặt dốc, đồng thời tương đối phẳng. Sau giai đoạn bão hồ, nước mặt bắt đầu tích lại trên bề mặt. Lúc đầu khi lượng mưa cịn ít và sức căng mặt ngồi cịn chiếm ưu thế, các giọt nước được giữ lại tại các lỗ hỏng cách ly nên khơng sinh dịng chảy. Nếu trận mưa tiếp tục, sức căng mặt ngồi khơng thắng nổi trọng lực và momen động lượng của nước mưa
được tạo thành bởi tốc độ dốc bề mặt, nên các lỗ chứa nước cách ly bị bão hồ và hình thành dịng chảy trên mặt dốc.
• Giai đoạn 2: Tập trung dịng chảy trên mặt sườn dốc
Trận mưa vẫn tiếp tục cĩ 2 thành phần: lượng mưa rơi xuống lưu vực và dịng chảy sườn dốc đều tăng theo thời gian. Trong các lớp thời gian đầu, dịng chảy chung của lưu vực được hình thành từ các phần diện tích sát mặt cắt khống chế. Khi dịng chảy từ điểm xa nhất của lưu vực tham gia vào dịng chảy chung tại mặt cắt khống chế thì tồn bộ diện tích lưu vực tham gia dịng chảy. Thời gian chuyển động của dịng chảy từ điểm xa nhất đến cửa xả ra của lưu vực thường đựơc gọi là thời gian tập trung dịng chảy TC. Trong mơ hình dịng chảy đơ thị, thời gian TC rất quan trọng, nĩ là thơng số cơ bản chi phối hoạt động của mơ hình.
Tương tự như ở lưu vực tự nhiên, để hình thành dịng chảy mưa trên mặt dốc đơ thị, chiều sâu lớp nước mưa và gradient năng lượng phải thắng được sức cản. Tuy vậy khi chuyển động, sức cản dịng chảy do cấu tạo bề mặt đơ thị lại tăng lên. Sức cản khơng chỉ phụ thuộc vào độ nhám ebè mặt, chiều sâu dịng chảy… mà cịn phụ thuộc vào tính khơng ổn định và khơng đều của dịng chảy.
• Giai đoạn 3: Dịng chảy chung trong hệ thống thốt nước và hệ sơng, kênh rạch tự nhiên.
Dịng chảy được tập trung vào các đường cống nhỏ rồi cào các cống lớn từ đĩ chảy vào các sơng rạch và kênh rồi đổ vào sơng, cuối cùng đổ ra biển. Do quá trình phát triển đơ thị hệ thống đường cống cũng được phát triển theo và phụ thuộc vào phương cách bố trí của mạng lưới (tùy địa hình, sự chuyển đổi sử dụng đất, đặc tính của đơ thị…) hay sự cải tạo và tác động của cơng trình lên hệ thống sơng rạch. Sự tác động này làm cho mối quan hệ ngày càng phức tạp hơn mà các mơ hình cần phải giải quyết.
Cĩ thể diễn tả các mối quan hệ trong quá trình hình thành dịng chảy theo hình 4.2
Hình 4.2: Sơ đồ mơ phỏng quá trình hình thành dịng chảy đơ thị 4.2.2. Mơ hình tính tốn của dịng chảy đơ thị:
Song song với quá trình tất yếu của sự hình thành đơ thị, vấn đề tính tốn dịng chảy đơ thị cũng đã cĩ lịch sử hơn 100 năm và đang cĩ bước tiến bộ vượt bậc cả về chất và lượng trong thời đại cách mạng của khoa học kỹ thuật hiện nay. Năm 1880 cơng thức Burgi – Ziegle (Thụỵ Sỹ) đựơc cơng bố và sau đơ là ở Mỹ, Kuichling (1989) giới thiệu cơng thức hợp lý nổi tiếng. Hai cơng thức trên là những bước đi ban đầu để tính tốn dịng chảy ở lưu vực đơ thị và cũng từ đĩ vấn đề tiêu thốt nước đơ thị đã được nhìn nhận là một biện pháp kỹ thuật. Cùng với các cơng thức này và các cơng thức nửa thực nghiệm được xây dựng sau đĩ chỉ mới đánh giá lưu lượng dịng chảy lớn nhất, chủ yếu nhằm xác định kích thứơc đường ống thốt nước. Tiếp theo, một số phương pháp được xây dựng đã đưa vào các thơng tin về quan hệ mưa – dịng chảy như sự phân bố dịng chảy theo thời
gian nhằm mơ tả chi tiết hơn quá trình này. Các phương pháp này bắt đầu được gọi là mơ hình.
Nĩi chung các mơ hình như vậy mới mơ tả các mức độ khác nhau của quá trình chuyển hĩa từ mưa đến dịng chảy. Thuỷ văn đơ thị thực sự là một mơn khoa học bắt đầu vào khoảng giữa thế kỷ 19 nhằm đáp ứng vấn đề về quy hoạch và thiết kế đơ thị sao cho phù hợp với quy luật, điều kiện phát triển của mỗi quốc gia. Một trong những vấn đề nổi bật của thuỷ văn đơ thị là tiêu thốt nước mưa, nước thải cũng như chống ngập úng, ơ nhiễm mơi trường.
Đây là vấn đề can phải giải quyết cho cả hiện tại lẫn tương lai. Tiêu thốt nước của đơ thị hiện tại đang là một vấn đề hết sức quan trọng nhưng chi phí và đầu tư lại vơ cùng lớn. Căn cứ vào tình hình thực tế như vậy, trong những năm gần nay người ta đã xây dựng nhiều mơ hình thực tế đạt hiệu quả cao khi tính mơ phỏng khơng quá phức tạp mà cùng khơng quá đơn giản. Việc mơ phỏng dịng chảy trong hệ thống thốt nước đơ thị bao gồm sơng, kênh thiên nhiên hay trong hệ thống đường cống, và dựa trên hai mối quan hệ chủ đạo:
Quan hệ mưa – dịng chảy.
Diễn tốn trên hệ thống dẫn nước (đường cống, sơng, kênh, rạch) bằng hệ phương trình Saint – Venant với nhiều tác giả thiết kế về điều kiện biên, phương cách giải và các phương trình phụ trợ khác nhau, tuỳ theo mục đích yêu cầu khác nhau.