3.1.2 Thiết lập mơ hình
Căn cứ các tài liệu thu thập được thiết lập hệ thống thoát nước của Hà Tĩnh trong Mike Urban bao gồm:
- Thiết lập các điểm tập trung nước - Thiết lập các đường ống thốt nước
- Thiết lập mơ hình số độ cao và kết nối mơ phỏng dịng chảy tràn mặt 2D
Bảng 3.1. Dữ liệu hệ thống thoát nước hiện trạng
Dữ liệu Số lượng Nút Hố ga 838 Hồ chứa 4 Điểm xả 45 Lưu vực Số lượng 838
Đoạn đường ống thốt nước
Cống trịn 322 Cống hộp 618
Kênh 31
a. Thiết lập các điểm tập trung nước
Hệ thống các điểm tập trung nước bao gồm các hố ga, các cửa xả và hồ điều hịa, hệ thống thốt nước thành phố Hà Tĩnh được thiết lập với 838 hố ga, 4 hồ điều hòa và 45 cửa xả.
Hình 3.2: Thơng số các hố ga và thiết lập hệ thống hố ga cho TP Hà Tĩnh b. Các đường cống dẫn nước
Hệ thống thoát nước thành phố Hà Tĩnh với tuyến thoát nước gồm 40 tuyến kênh/ cống dọc đường giao thông, các tuyến đường trong thành phố.
Hệ thống thoát nước được thiết lập với 322 đoạn cống tròn, 618 đoạn cống hộp và 31 đoạn kênh hở.
+ Cống trịn có 4 cỡ D600, D700, D800 và D1000 (mm);
+ Cống hộp kích cỡ lớn nhất 2500x1400(mm) tuyến kênh tiêu T3, kích cỡ nhỏ nhất 400x600(mm) tuyến đường 26/3.
Hình 3.3: Thơng số đường ống và thiết lập hệ thống đường ống cho TP Hà Tĩnh c. Lưu vực tập trung nước c. Lưu vực tập trung nước
Các lưu vực tập trung nước được phân chia theo các hố ga, địa hình và hướng dịng chảy và được kết nối với các điểm tập trung nước.
Mỗi lưu vực (catchment) được coi là một lưu vực khép kín. Dịng chảy từ mưa sẽ tập trung tại cửa ra là điểm thấp nhất lưu vực là các hố ga và tham gia vào hệ thống cống.
Trong mơ hình đã phân chia ra 837 lưu vực. Các lưu vực được phân chia tự động bằng công cụ Catchment Delineation Wizard theo hố ga, đường cống và địa hình. Tuy nhiên sau bước phân chia tự động cần phải hiệu chỉnh lại các lưu vực này để diện tích lưu vực quanh hố ga, dọc tuyến đường hợp lý hơn.
Hình 3.4: Kết quả phân chia lưu vực (catchment) trong hệ thống thoát nước
d. Thiết lập mơ hình số độ cao và kết nối mơ phỏng dịng chảy tràn mặt 2D
Như đã trình bày ở phần Giới thiệu mơ hình tài liệu địa hình là yếu tố quan trọng trong tính tốn dịng chảy tràn 2D. Dữ liệu địa hình có độ chính xác càng cao thì kết quả tính dịng chảy tràn mặt càng tốt.
Trong khuôn khổ luận văn sử dụng lớp DEM 10x10m cho toàn khu vực thành phố. Kết hợp lớp DEM với lớp đường phố, lớp sơng ngịi, ao hồ, lớp nhà cửa, lớp đất cây xanh bằng phần mềm GIS được lớp địa hình đã xử lý. Lớp bản đồ này được sử dụng kết nối với các hố ga, tính tốn dịng chảy 2D từ các hố ga tràn lên bề mặt địa hình.
Hình 3.5. Xử lý số liệu địa hình bằng GIS
Với lớp DEM đã xử lý kết nối các hố ga với lớp địa hình bằng cơng cụ Couple Node trong 2D Overland Tools. Trước khi kết nối hố ga và lớp địa hình cần xác nhận lớp DEM sẽ tính tốn kết nối với thiết lập kích thước lưới và giới hạn vùng tính tốn trong 2D Model Settings.
Hình 3.6: Thiết lập trong tính tốn dịng chảy tràn 2D Lớp DEM Lớp DEM
Lớp đường phố
Lớp nhà cửa
Lớp sơng ngịi, ao hồ
Lớp đất cây xanh
Kết quả thiết lập mơ hình hiện trạng thốt nước TP Hà Tĩnh thể hiện trên Mike Urban với sơ đồ mặt bằng và trắc dọc tại các tuyến cống như hình 3.6:
Hình 3.7: Hệ thống thốt nước hiện trạng TP Hà Tĩnh trên CAD và Mike Urban
Trắc dọc nhiều tuyến đường như tuyến đường Hải Thượng Lãn Ông, Nguyễn Du... có sự thay đổi cao độ mặt đất và kích thước cống, hố ga phức tạp.
e. Biên của mơ hình
Trong giới hạn của mơ hình thốt nước cho thành phố Hà Tĩnh sử dụng: + Biên mưa được tính theo lượng mưa giờ.
+ Biên mực nước là mực nước tại các cửa xả.
Thời đoạn tính tốn theo hiện trạng thu thập độ sâu ngập tại các vị trí đo đạc. Bước thời gian tính tốn 1 – 10s.
Sử dụng số liệu mưa giờ trạm Hà Tĩnh, giả thiết mưa rải đều trên tồn lưu vực. + Dịng chảy mặt được tính từ mưa tập trung tại các hố ga là biên đầu vào của hệ thống thốt nước.
f. Các thơng số và hiệu chỉnh các thơng số trong mơ hình:
Mơ hình Mike Urban là mơ hình kết hợp tính tốn thủy văn với tính tốn thủy lực do đó thơng số u cầu chia thành nhóm thơng số thủy văn và nhóm thơng số thủy lực.
- Nhóm thơng số thủy văn
Mơ hình Mike Urban sử dụng mơ hình mưa dịng chảy có thơng số phân bố do đó cần xác định các thơng số cụ thể cho từng lưu vực.
Trong mơ hình q trình thủy văn cho thành phố Hà Tĩnh, dịng chảy từ mưa được tính theo cơng thức Time – Area với các thông số đặc trưng:
+ Diện tích lưu vực;
+ Thời gian tập trung nước; + Tổn thất ban đầu;
+ Hệ số triết giảm dịng chảy; + Phần trăm khơng thấm.
Thời gian tập trung nước, tổn thất ban đầu và hệ số triết giảm dịng chảy ước tính ban đầu theo Catchment Processing Tool, mặc định tổn thất ban đầu = 0.0006 và hệ số triết giảm = 0.90, thời gian tập trung nước được tính với vận tốc trung bình bề mặt là 0.3m/s.
Phần trăm khơng thấm được xác định theo diện tích sử dụng đất, diện tích nhà, diện tích đường giao thơng và sử dụng đất.
Bảng 3.2. Phần trăm không thấm nước ban đầu theo các lớp tính tốn
Lớp dữ liệu Phần trăm không thấm (%)
Nhà ở 100
Đường giao thông 75
Khu vực cây xanh, sử dụng đất 10
Diện tích nhà, đường giao thơng, sử dụng đất xác định theo số liệu thu thập và theo ảnh Google Earth xử lý trong phần mềm GIS.
Các thông số thủy văn gồm thời gian tập trung nước và phần trăm khơng thấm được sau khi ước tính ban đầu cho từng lưu vực tập trung nước sau đó được thay đổi thử dần trong q trình hiệu chỉnh – kiểm định mơ hình theo tài liệu thực đo.
Hình 3.9: Thơng số các lưu vực (catchment) trong hệ thống thốt nước - Nhóm thơng số thủy lực - Nhóm thơng số thủy lực
Thơng số thủy lực hiệu chỉnh trong hệ thống cống là hệ số nhám lòng dẫn và chất liệu cống gồm: hệ số nhám Manning; vật liệu và độ thô nhám của vật liệu.
Với hệ thống thoát nước cho thành phố Hà Tĩnh thông số thủy lực được thiết lập ban đầu cho các hố ga và đường ống cống, các thông số đã được xác định theo thực tế xây dựng nên cơ bản khơng thay đổi trong q trình hiệu chỉnh, kiểm định.
3.1.3 Kết quả mơ phỏng, kiểm định mơ hình
Việc hiệu chỉnh thơng số mơ hình tập trung vào các thông số biểu thị trạng thái mặt đệm và lòng dẫn. Áp dụng phương pháp thử dần, trong đó nhiều thơng số được thử riêng rẽ theo phân tích thứ tự ảnh hưởng như đã nêu, đã đạt được sự phù hợp giữa mức ngập tính tốn và thực đo (vết lũ điều tra).
Các vết lũ thu thập được là giá trị đỉnh lũ, khơng có dạng đường q trình. Do đó, phương pháp hiệu chỉnh, kiểm định được tiến hành theo diện (Tại các vị trí có vết lũ điều tra, tiến hành hiệu chỉnh, kiểm định để đạt được độ sâu ngập tính tốn lớn nhất bằng giá trị vết lũ).
- Trận mưa ngày 23/4/2015 và trận mưa ngày 16/9/2015 là hai trận mưa khá lớn, gây úng ngập trên các tuyến phố và đã được Công ty cổ phần Môi trường và Cơng trình đơ thị Hà Tĩnh đo đạc, báo cáo cụ thể vì thế được chọn để hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình.
- Hai trận mưa này đảm bảo yếu tố về thời gian khi xuất hiện gần nhau (trong năm 2015). Ngồi ra, tài liệu địa hình và mạng lưới tiêu thốt nước cũng là những tài liệu được cập nhật cùng năm. Điều này đảm bảo tính chính xác và logic khi thiết lập mơ hình cũng như củng cố giả thuyết quá trình hiệu chỉnh, kiểm định được thực hiện với cùng một bộ thơng số.
- Kết quả mơ hình cho thấy xuất hiện các vị trí úng ngập trên đường trùng với kết quả khảo sát trong hai trận mưa sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình.
- Kết quả mức độ úng ngập trên các tuyến đường từ mơ hình tương đối sát với giá trị thực đo.
Kết quả hiệu chỉnh
Kết quả hiệu chỉnh theo trận mưa ngày 23/04/2015, với lượng mưa 1 giờ lớn nhất là 54,1mm, lượng mưa 24h lớn nhất là 280,1mm.
Mức độ chênh lệch giữa giá trị thực đo với giá trị tính tốn được thể hiện trong bảng 3.3 với 09 tuyến đường điều tra được giá trị độ ngập thực tế. Độ chênh lệch mực nước ∆H = 0,01 ÷ 0,22m.
Kết quả giữa thực đo và tính tốn tương đối phù hợp về trị số, tuy có một số nơi có độ chênh lệch lớn hơn 20cm nhưng việc hiệu chỉnh theo diện trên toàn hệ thống thì kết quả tính tốn có thể chấp nhận được trong khn khổ luận văn.
Hình 3.10: Diễn biến trận mưa hiệu chỉnh mơ hình ngày 23/04/2015 trạm Hà Tĩnh
Bảng 3.3. Bảng độ ngập thực đo và tính tốn tại một vị trí hiệu chỉnh
TT Đường Vị trí Độ sâu ngập thực đo (m) Độ sâu ngập tính tốn (m) ΔH (m) 1 Xô Viết Nghệ Tĩnh 0.40 0.49 0.09 2 Nguyễn Du
Từ 1A đến đường Lê Ninh 0.40 0.45 0.05 Huy Tự đến ngã tư Nguyễn Công
Trứ 0.40 0.39 0.01
3 Đường Lê Ninh 0.40 0.52 0.12
4 Hải Thượng Lãn Ông
Từ 1A-> Cổng Bệnh viện 0.40 0.30 0.05 Ngã tư giao với đường Nguyễn
TT Đường Vị trí Độ sâu ngập thực đo (m) Độ sâu ngập tính tốn (m) ΔH (m) 5 Nguyễn Thị Minh Khai 0.20 0.42 0.22
6 Nguyễn Công Trứ Ngã tư Phan Đình Phùng đến Xơ
Viết Nghệ Tĩnh 0.30 0.42 0.12
7 Phan Đình Phùng 0.20 0.14 0.06
8 Khu đô thị Sông Đà 0.20 0.37 0.17
9 Lê Duẩn 0.30 0.37 0.07
Kết quả mơ hình 2D thể hiện rõ kết quả tính tốn diện ngập và độ sâu ngập lớn nhất. Với công cụ MIKE to Google Earth có thể xuất kết quả mơ hình 2D lên GE để kết quả tính tốn thể hiện được trực quan hơn.
Hình 3.11: Bản đồ độ ngập sâu nhất kết quả hiệu chỉnh trên GE
Dòng chảy tràn trên mặt đường dâng lên từ hố ga tràn lên đường và tràn ra xung quanh. Trên thực tế có những đoạn đường có lịng đường trũng hơn 2 bên lề đường, do đó độ sâu ngập lớn nhất khơng chỉ tập trung ở trên miệng cống, ở 2 bên lề đường mà cịn ở những nơi có lịng đường trũng. Kết quả hiệu chỉnh tại một số vị trí theo
trắc dọc cống và đường ống và dịng chảy tràn tại điểm ngập sâu trên đường (độ sâu ngập tính từ bề mặt đất – cao độ DEM) như sau:
Hình 3.12: Trắc dọc đoạn đường Nguyễn Du từ Nguyễn Huy Tự đến Nguyễn Cơng Trứ và dịng chảy tràn tại điểm ngập sâu
Hình 3.13: Trắc dọc đoạn đường Lê Ninh và dòng chảy tràn tại điểm ngập sâu
Hình 3.14: Trắc dọc đoạn đường Hải Thượng Lãn Ơng – Xn Diệu và dịng chảy tràn tại điểm ngập sâu
Với kết quả hiệu chỉnh mơ hình Mike Urban cho trận mưa ngày 23/04/2015 khá phù hợp với số liệu đo thực tế, có thể sử dụng bộ thơng số để kiểm định mơ hình với trận mưa ngày 16/09/2015 với số liệu điều tra ngập cùng thời gian.
Kết quả kiểm định
Kết quả kiểm định theo trận mưa ngày 16/09/2015, với lượng mưa giờ đạt 61,3mm, lượng mưa 24h lớn nhất đạt 194,6mm.
Mức độ chênh lệch giữa giá trị thực đo với giá trị tính tốn được thể hiện trong bảng 3.4 với 05 tuyến đường điều tra được giá trị độ ngập thực tế. Độ chênh lệch mực nước ∆H = 0,04 ÷ 0,28m. Kết quả giữa thực đo và tính tốn tương đối phù hợp về trị số, tuy có một số giá trị có độ chênh lệch cao nhưng vẫn có thể sử dụng được bộ thơng số của mơ hình.
Hình 3.15: Diễn biến trận mưa kiểm định mơ hình ngày 16/09/2015 trạm Hà Tĩnh
Bảng 3.4. Bảng độ ngập thực đo và tính tốn tại một vị trí kiểm định
TT Đường Vị trí Độ sâu ngập thực đo (m) Độ sâu ngập tính tốn (m) ΔH (m) 1 Xô Viết Nghệ Tĩnh Từ Khách sạn Sallig đến Sở Kế hoạch 0.30 – 0.40 0.24 0.16
Từ Tòa nhà Viettel đến ngã tư
TT Đường Vị trí Độ sâu ngập thực đo (m) Độ sâu ngập tính tốn (m) ΔH (m) 2 Nguyễn Du Đoạn từ đường Trần Phú đến
đường Lê Ninh 0.40 0.34 0.06
Nguyễn Huy Tự đến ngã tư
Nguyễn Công Trứ 0.50 0.45 0.05
3 Đường Lê Ninh 0.50 0.43 0.07
4 Hải Thượng Lãn Ông
Từ 1A-> Cổng Bệnh viện 0.50 0.22 0.28 Ngã tư giao với đường
Nguyễn Công Trứ 0.50 0.25 0.25
5 Nguyễn Thị Minh
Khai 0.20 0.37 0.17
6 Nguyễn Công Trứ - 0.31
7 Phan Đình Phùng - 0.17
8 Khu đô thị Sông Đà - 0.26
9 Lê Duẩn - 0.30
Kết quả kiểm định tại một số vị trí theo trắc dọc cống và đường ống và dịng chảy tràn tại điểm ngập sâu ở lòng đường như sau:
Hình 3.18: Trắc dọc đoạn đường Nguyễn Du từ Nguyễn Huy Tự đến Nguyễn Cơng Trứ và dịng chảy tràn tại điểm ngập sâu
Hình 3.19: Trắc dọc đoạn đường Hải Thượng Lãn Ông – Xuân Diệu và dòng chảy tràn tại điểm ngập sâu
Năm 2015, các điểm ngập tháng 04/2015 từ 0,20 ÷ 0,40m, các tuyến đường trung tâm đều bị ngập, các tuyến đường ngập sâu nhất là Xô Viết Nghệ Tĩnh, Nguyễn Du, Lê Ninh, Hải Thượng Lãn Ông và Nguyễn Thị Minh Khai.
Cùng năm đợt mưa tháng 09/2015 gây ngập với độ sâu ngập từ 0,20 ÷ 0,50m với độ sâu ngập lớn nhất cũng ở các các tuyến Nguyễn Du, Lê Ninh và Hải Thượng Lãn Ông.
Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình Mike Urban cho thành phố Hà Tĩnh được thể hiện trực quan theo trên GG và thể hiện chi tiết tại các tuyến đường và tại điểm ngập lớn nhất trên đường cho thấy với lượng mưa tương đối lớn (54 ÷ 61mm/giờ) có thể gây ngập sâu trên diện rộng trên thành phố.
Với bộ thông số hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình có thể tiến hành đánh giá hiện trạng thoát nước của TP Hà Tĩnh cũng như khả năng thoát nước của TP Hà Tĩnh dưới tác động của BĐKH.
3.2 Đánh giá hiện trạng hệ thống thoát nước của thành phố
Trên cơ sở mơ hình đã thiết lập cho hiện trạng thoát nước cho TP Hà Tĩnh tiến hành tính tốn đánh giá hiện trạng thốt nước TP với trận mưa thiết kế 2%. Trong mục 3.2 gồm có:
+ Xác định trận mưa điển hình và tính tốn mưa thiết kế 2%. + Tính tốn và đánh giá hiện trạng với trận mưa thiết kế.
3.2.1 Lựa chọn tần suất thiết kế và trận mưa điển hình
Căn cứ theo tiêu chuẩn TCVN 7595-2008 - Thốt nước – Mạng lưới và cơng trình bên ngồi – Tiêu chuẩn thiết kế, lượng mưa tính tốn với chu kỳ lặp lại P (năm) phụ thuộc và quy mô và tính chất cơng trình.
Đường q trình mưa thiết kế lựa chọn dựa trên một số trận mưa điển hình. Thời gian kéo dài của quá tình mưa phụ thuộc vào quy mô đô thị hoặc quy mô khu vực đơ thị. Q trình mưa thiết kế phụ thuộc vào tính chất mưa từng vùng lãnh thổ.