Loại mặt phủ Tỷ lệ (%) Diện tích (acre) Hệ số dòng chảy C
Mái phủ 32.21 2.19 0.85
Bê tông 65.21 4.45 0.85
Cây xanh 2.57 0.175 0.35
(Nguồn: Đại học Xây dựng, 2013).
Tổng diện tích = mái phủ + bê tơng + cây xanh = 2.19+4.45+0.175 = 6.815
Diện tích mặt phủ ít thấm nước = mái phủ + bê tơng = 2.19+4.45 = 6.64 chiếm tỷ lệ = 6.64/6.815*100 = 97.4%
Ta có:
c. Xác định lưu lượng dòng chảy bề mặt:
Cơng thức tính lưu lượng dịng chảy:
. . (2)
C i A
Q
Trong đó: C: Hệ số dịng chảy, i: cường độ mưa (in/h),
10
A: diện tích bề mặt (acre), Q: Lưu lượng nước mưa (ft3/s). Thay số ta được:
3 3
/ ) 0.84 2.76 6.79 =15.74 (ft /s) = 0.449 (mx x s
Q .
3.1.2.2. Hệ thống thoát nước hiện hữu tại trường đại học Xây dựng
Hệ thống thốt nước được bố trí với các cống rãnh thốt G0-G30 (xem chi tiết hình vẽ 1, 2, 3 - Phụ lục I), đã được khảo sát và thống kê (bảng 2.4)
Ghi chú: Lưu lượng nước thốt qua hệ thống được tính theo cơng thức Manning (cơng thức 3-8, mục 3.20 – TCXDVN 51- 2008).
Lưu lượng nước thải (bao gồm cả nước mưa và nước thải sinh hoạt) thoát qua hệ thống cống Q = 0.289 m3/s + 0.148 m3/s = 0.437 m3/s.
Trong đó: Q1 = 0.289 m3/s: thoát ra cổng sau trường. Q2 = 0.148 m3/s: thoát ra cổng trước trường.
Lưu lượng nước thải sinh hoạt thoát qua hệ thống (bảng 3.2):
Bảng 3.2: Lƣu lƣợng nƣớc thải sinh hoạt từ ĐHXD
Số ngƣời Số giờ làm việc
Tiêu chuẩn thải nƣớc l/ng Hệ số Kh TB (m3/ngày) TB (m3/h) Giờ max (m3) 10000 14 20 3 200 14.3 42.9
Lưu lượng nước thải lớn nhất tải qua hệ thống (tính theo h max): QSH = 42.9 m3/h = 0.012 m3/s.
Qm = Q – QSH (3) Qm < 0.437 m3/s < Q.
Ta có Q > Qm nên hệ thống rãnh thốt nước hiện tại khơng đảm bảo khả năng thoát kịp nước mưa, gây nên hiện tượng úng ngập tạm thời. Mặt khác, do D cống nư ớc mưa thường to hơn cần thiết (đều > 300 mm), tiết diện rãnh thoát nước nhỏ, mật độ rãnh thốt khơng được bố trí hợp lý (Hình 1.4) nên dịng chảy bề mặt khơng kịp thoát theo các tuyến cống. Do đó, ta cần tính tốn thời gian nước mưa chảy trong đến cống trong trường hợp bất lợi nhất (điểm tính tốn xa và cao nhất).
Cường độ mưa tính tốn được xác định theo công thức (4) – theo TCVN 58 – 2008: q= (l/s.ha) (4) n 20 n q .(20 b) .(1 ClgP) (t b)
Trong đó: Các hệ số: q20, C, b, n được xác định dựa theo từng địa phương. Số liệu tại Hà Nội – theo TCXDVN 58:2008:
q20 = 289 b = 11.61 C = 0,2458 n = 0,7951
t – Thời gian mưa, tính bằng phút.
- Chu kì tràn cống: P = 5 năm (theo Dự án thoát nước Hà Nội giai đoạn 2). - Cường độ mưa (theo lớp nước): i = 70 mm/h = 1.17 mm/ph.
Nên ta có: cường độ mưa (theo thể tích): q = 166.7i = 195 (l/s.ha). Thời gian mưa được tính từ cơng thức (4):
195 = 0.7951 0.7951 11.61 0.2458x x 289 x(20 ) (1 lg5) (t 11.61) t = 51.5 (phút)
3.1.2.3. Thời gian vận chuyển nước mưa trên bề mặt từ điểm bất lợi nhất đến tiết diện tính tốn (Tính theo phương pháp cường độ giới hạn)
a. Tính tốn thời gian vận chuyển nước mưa từ bề mặt đến tiết diện tính tốn: Thời gian mưa tính tốn được xác định theo cơng thức (5) – TCVN 58 - 2008:
t = tm + tr + tc (phút) (5)
tm: Thời gian nước chảy từ điểm xa nhất trên lưu vực đến rãnh nếu khơng có mương thốt. Lấy sơ bộ: tm= 10 (phút).
tr: Thời gian nước chảy trên rãnh đến giếng thu đầu tiên được tính theo cơng thức:
tr=1, 25 r r
l
Với Lr, Vr là chiều dài và vận tốc nước chảy về cuối rãnh thu nước mưa. Lấy trung bình sơ bộ ta có: lr = 100 (m), vr = 0,5(m/s). 1,25 là hệ số kể đến sự tăng dần vận tốc trong rãnh. Ta có: tr = 1,25 100
0,5.60 = 4 (phút).
tc: Thời gian nước chảy trong cống từ giếng thu đến tiết diện tính tốn theo cơng thức: tc=2 c r vl (phút) (7) - lc: Chiều dài cống tính tốn.
- vc: Vận tốc nước chảy trong cống.
b. Tính tốn thủy lực cho tuyến cống thốt nước mưa G8-G9-G10-----G2911
:
Diện tích phục vụ của tuyến cống xem chi tiết bảng 3.3:
Bảng 3.3: Diện tích phục vụ của tuyến cống thoát nƣớc mƣa
Ký hiệu dt Diện tích (m2) Ký hiệu dt Diện tích (m2) Ký hiệu dt Diện tích (m2) 1 483 9 25 17 38 2 538 10 282 18 908 3 133 11 4021 19 119 4 716 12 118 20 95 5 556 13 158 21 99 6 80 14 2719 22 1449 7 575 15 1631 8 118 16 75
Cường độ mưa tính tốn theo giả thiết. Hệ số dịng chảy tập trung bề mặt: C = 0.84.
Chiều sâu đặt cống được xác định theo công thức: H = h + D (m) (8)
Trong đó:
- h = 0.7 (m) chiều sâu đặt cống tính từ mặt đất đến đỉnh cống. - D –Đường kính ống,
Ta có bảng tính thủy lực nước mưa (xem chi tiết Phụ lục II).
Từ bảng tính tốn thủy lực: thời gian nhanh nhất để nước mưa chảy từ điểm bất lợi nhất đến tiết diện tính tốn khoảng 15’, thời gian để nước mưa thoát ra khỏi trường là 29’. Như vậy, trong khoảng thời gian này hiện tượng úng ngập cục bộ sẽ xảy ra. Các phương án được tránh úng ngập cục bộ có thể được để xuất như sau:
Phương án 1: Tăng cường khả năng thoát của hệ thống cống thoát nước bằng cách tăng mật độ cống thoát hoặc tăng tiết diện cống tiếp nhận nước mưa. Phương án này yêu cầu thiết kế thêm các tuyến cống thoát khác hoặc đào sâu thêm các cống thoát hiện tại để đảm bảo việc tiêu thoát nước mưa từ đường, mặt sân trong thời gian ngắn nhất và tính tốn thủy lực lại cho tồn bộ hệ thống cũng như vạch tuyến lại hệ thống thoát nước. Hơn nữa, nếu tồn bộ nước mưa được thốt hết theo hệ thống cống sẽ rất lãng phí, khơng tái sử dụng cho các mục đích khác trong bối cảnh nguồn nước cấp đang khan hiếm. Phương án này gây tốn kém chi phí.
Phương án 2: Xây thêm các bể chứa nước mưa tại các nhà chức năng A1, H1, H2, G3, thư viện, nhà thí nghiệm để làm chậm việc tập trung dịng chảy bề mặt. Ưu điểm của phương án này là có thể lưu trữ nước mưa sau đó xử lý làm nước uống, nước sinh hoạt. Nếu các bể chứa nước mưa được bố trí tại từng khu nhà chức năng, việc sử dụng nước mưa sẽ khá thuận tiện và giảm nhu cầu cấp nước từ mạng lưới cấp nước thành phố.
3.1.2.4. Thiết kế các bể chứa thu nước mưa từ mái nhà giảm ngập lụt
Các bể chứa nước mưa được đặt tại các khu nhà chức năng A1, H1, H2, G3, thư viện, nhà thí nghiệm sẽ thu gom nước mưa từ mái nhà, có thể được sử dụng cho các mục đích sinh hoạt của cán bộ nhân viên và học sinh trong trường. Thế tích cần thiết của các bể chứa nước mưa cần xây dựng được xác định theo bảng 3.4.
Bảng 3.4: Thể tích bể chứa nƣớc mƣa cần xây dựng tại ĐHXD để giải quyết việc ngập úng cục bộ do nƣớc mƣa
STTNhà chức năng Diện tích ha q tt l/s.ha C T.gian mưa (s) Lưu lượng mưa (l/s) Thể tích bể
1 A1 0.125 195 0.85 3090 20.72 64 2 H1 0.185 195 0.85 3090 30.66 95 3 H2 0.258 195 0.85 3090 42.76 132 4 G3 0.095 195 0.85 3090 15.75 49 5Thư viện 0.113 195 0.85 3090 18.73 58 6Thí nghiệm 0.11 195 0.85 3090 18.23 56
Tổng thể tích lớn nhất các bể chứa nước mưa: Vt = 64 + 95 + 132 + 49 + 58 + 56 = 455 m3.
Kết luận: Thu gom nước mưa từ mái nhà là phương án khả thi, có thể khắc
phục hiện tượng úng ngập tại trường khi có mưa lớn, các bể chứa nước mưa tại các nhà H1, cụm nhà H2-Thư viện- G3 được xây dựng thêm với các thơng số:
Thể tích các bể nước mưa cần xây dựng tại các nhà chức năng lấy theo bảng 3.4. Tuy nhiên, các bể chứa chỉ làm việc hiệu quả nếu nước trong bể được xả kiệt trước khi lưu trữ nước mưa từ trận mưa tính tốn.
3.1.2.5. Tính tốn thiết kế giải pháp của SUDS cải tạo hệ thống thoát nước mưa cho trường đại học xây dựng
a, Tính tốn các thơng số cơ bản của lưu vực:
Diện tích mặt bằng thu nước: A = 2.75 ha = 6.79 arce. Diện tích bê tơng: ABT = 2.68ha = 6.615 arce
Diện tích cây: Acx = 0.071 ha = 0.175 arce.
Lượng mưa tính tốn thiết kế: P = 5 năm, q = 60 mm (theo cường độ mưa và thời gian mưa).
Thời gian mưa: t = 51.5 phút.
Hệ số CN = được xác định dựa theo thành phần và tính
chất sử dụng đất của trường, trong đó CN1 = 98 ứng với mặt phủ bê tơng, CN2 = 39 ứng với thảm cỏ, cây xanh - áp dụng cho nhóm đất loại A [37]
2 ( 0.2 ) = (9) ( 0.8 ) 1000 10 h q xS q xS S CN 2 (10) 1000 10 0.46( ) 1.17 95.6 (6 0.2 1.17) 4.79 (6 0.8 1.17) S inch cm x h cm x
Trong đó: S là tiềm năng giữ chắn nước tối đa của bề mặt ngay sau khi mưa. Ia = 0.2S = 0.234 (cm) là khả năng lượng nước mất đi trong khi mưa.
Ta có: Ia/q = 0.234/6 = 0.039.
Khi đó: thời gian tập trung nước mưa TC:
T = (11) 3600
c L
V
Với: L- chiều dài dòng chảy [35] = 236 m =774 ft V- vân tốc dòng chảy (ft/s). Độ dốc dòng nước s: 1 2 =H H (12) s L Trong đó:
- H1 = 6.18 m = 20.27 ft (cao độ điểm xa nhất trên mặt bằng). - H2 = 6.06 m = 19.88 ft (cao độ điểm bố trí xây dựng giải pháp nước mưa). Thay số ta được: 1 2 20.27 19.88 = 0.0005 774 H H s L . v = 20.33 x s0.5 = 20.33 x 0.00050.5 = 0.45 ft/s. Do đó: Tc = 774/ (3600 *0.45) = 0.48 h = 29’.
b, Không thu gom nước mưa từ mái nhà Hệ số thể tích dịng chảy bề mặt:
Rv = 0.05 + 0.009*I (13) = 0.05 + 0.009 x 97.42 = 0.93
(I = 97.42%- % diện tích bề mặt khơng thấm - bao gồm đường đi, sân và mái bao phủ).
Thể tích nước mưa: 3 . . V= (14) 12 1.9 0.93 6.79 V 0.9999 ac ft 1235 m . 12 v v q R A x x Trong đó:
A: tổng diện tích vùng thoát nước (acres);
qv: độ sâu mưa áp dụng tính V (inch), qV = 4.79 cm. c, Xây dựng bể chứa nước mưa tại các nhà chức năng
Hệ số thể tích dòng chảy: Rv’ = 0.05 + 0.009*I’ = 0.05 + 0.009 * 65.21= 0.64
(I’ = 65.21%- % diện tích bề mặt khơng thấm: mặt sân, đường đi) Thể tích kho chứa nước mưa:
' ' ' 3 V(a) . . V = 12 1 0.64 6.79 V 0.362 ac ft 450m 12 v v q R A x x .
Việc xây dựng các bể chứa nước mưa có tác dụng làm chậm dòng chảy tập trung với thời gian tập trung nước mưa dài hơn, lưu lượng thoát nước mưa đều hơn (xem chi tiết bảng 3.5).
Bảng 3.5: Thể tích nƣớc mƣa lƣu trữ nhờ các bể chứa tại các nhà chức năng
Chỉ số Không thu gom
nƣớc mƣa
Thu gom nƣớc mƣa từ mái nhà
Thời gian tập trung nước
mưa t 15 phút 29 phút
Thể tích nước mưa lưu trữ
V 0m
3
450 m3
Chiều sâu lớp nước mưa h
(t =29’) 4.79 cm 2.54 cm
Giảm úng ngập Thời gian tập trung dòng chảy bề mặt giảm:
Δtc = 14 min
Giảm độ sâu dòng nước chảy tràn bề mặt: Δh =2.25 cm
Ghi chú:
Chiều sâu lớp nước mưa trong khoảng thời gian tập trung nước mưa t = 29’
được tính theo cơng thức: 2 29 ' 100 ( ) ( ) t xV h cm A m .
Mối quan hệ lưu lượng nước mưa giữa hai trường hợp thu gom nước mưa và không thu gom nước mưa được thể hiện qua công thức (15)- (Xem chi tiết mục 14 -
[21]) (15) I dS O dt Trong đó:
I: Lưu lượng đầu vào hay lưu lượng nước mưa khi không tiến hành các biện pháp thu gom nước mưa (m3/s, l/s).
O: Lưu lượng đầu ra hay lưu lượng nước mưa thoát sau khi tiến hành thu gom nước mưa (m3/s, l/s).
S: Thể tích thu gom nước mưa (m3, L). t: Thời gian thu gom (s, phút).
Từ cơng thức (15), ta có thể tích lưu trữ nước mưa của trường Đại học xây dựng (hình 3.1) ứng với:
- I = 0.449 m3/s = 449 l/s. - O = 0.254 m3/s = 254 l/s.
- S = 450 m3 = 450 000 L.
- t tính bằng phút với trận mưa tính tốn kéo dài 51.5 phút.
Hình 3.1: Bể chứa nƣớc mƣa làm chậm dòng chảy tập trung
Kết luận:
Phương pháp cường độ giới hạn cho phép tính tốn tiết diện cống thốt nước mưa với thời gian tập trung nước mưa ngắn (t = 15’).
Phương pháp tiếp cận SUDS có ưu điểm làm tăng thời gian tập trung nước mưa (ΔTC = 14 phút), qua đó làm chậm dịng chảy tập trung bề mặt, giảm tiết diện cống tính tốn nhờ việc thu gom nước mưa (chiều sâu lớp nước trên bề mặt giảm 2.25 cm trong khoảng thời gian T = 29 phút).
Thu gom nước mưa là phương án tối ưu chống úng ngập trong bối cảnh hệ thống thống thốt nước làm việc khơng hiệu quả với dịng chảy tập trung lớn trong thời gian ngắn. Nhờ các bể chứa nước mưa hình dạng của lưu vực thốt nước hiện tại (C = 0.85) có xu hướng gần với hình dạng tự nhiên ban đầu (C = 0.35) hơn (hình 3.1).
3.1.3. Chất lƣợng nƣớc mƣa thu gom cho nƣớc sinh hoạt
Theo kết quả đánh giá chất lượng nước mưa thu gom trực tiếp từ mái của trường ĐHXD Hà Nội, được thực hiện tại hiện trường, trong phịng thí nghiệm của trường ĐHXD và gửi mẫu tới cơ quan kiểm định của nhà nước năm 2012 cho thấy chất lượng nước mưa thu được tương đối ổn định. Qua khảo sát hiện trường và quan sát nước mưa thu gom, nước mưa chảy qua mái nhà thường bị nhiễm bẩn do bụi, lá cây, rong rêu, phân chim, phân mèo làm tăng độ đục, chất rắn lơ lưng, chất rắn hòa tan trong nước mưa. Tuy nhiên, đa số các chỉ tiêu chất lượng nước mưa đều đạt yêu cầu chất lượng nước dùng cho sinh hoạt quy định trong QCVN 02: 2009/BYT. Chất lượng nước mưa thu gom từ mái nhà ĐHXD được tóm tắt trong bảng 3.6:
Bảng 3.6: Kêt quả phân tích chất lƣợng nƣớc mƣa thu từ mái ĐHXD, sau lắng 45'
Thông số Đơn vị Kết quả Chất lƣợng nƣớc mƣa so với Nước sinh hoạt
(TCVN 02-2009/BYT) [2] Nhiệt độ (oC) 26.9 Đạt pH 7.45 Đạt CND Μs 28 Đạt TDS Ppm 13 Đạt Độ đục NTU 0 Đạt COD mg/L 2.52 Đạt TN mg/L 0.56 Đạt TP mg/L 0.189 Đạt Colifom MPN/100mL 23 Đạt Pb mg/L 0.0072 Đạt As mg/L 0.0005 Đạt Ni mg/L 0.001 Đạt Fe mg/L 0.063 Đạt Mn mg/L 0.002 Đạt Zn mg/L 0.053 Đạt Cu mg/L 0.001 Đạt Hg mg/L 0.0053 Đạt
Cũng theo kết quả đánh giá các giá trị về tổng chất hữu cơ, tổng chất rắn lơ lửng, độ đục và độ kiềm pH của nước mưa thu gom đều giảm đi dần từ đầu mùa mưa, giữa mùa mưa tới cuối mùa mưa ( hình 3.2). Tổng lượng chất hữu cơ (COD) giảm từ đầu mùa (3.15 mg/L) đến cuối mùa (1.55 mg/L) (xem hình 3.3).
Hình 3.2: Chất lƣợng nƣớc mƣa theo mùa (Nguồn: ĐHXD Hà Nội, 2012)
Hình 3.3: Tổng chất hữu cơ trong nƣớc mƣa qua các giai đoạn
(Nguồn: ĐHXD Hà Nội, 2012)
Theo kết quả phân tích nước mưa và quan sát hiện trường, một số chỉ tiêu chất lượng nước mưa có thể bị thay đổi do một số nguyên nhân từ bên ngoài. Chẳng hạn, tổng lượng chất hữu cơ, tổng ni-tơ, tổng phốt pho đo được từ mẫu nước mưa trữ trong bể có thể tăng lên do bể chứa bị xâm nhập bởi phân chuột hoặc sinh vật chết rơi vào trong bể chứa. Độ pH đo được trên mái nhà có thể lớn hơn 8. Qua xử lý tại bể nước thô, pH sẽ được cân bằng trong quãng quy định nước sinh hoạt theo QCVN 02-