b) Mơ hình 1D: Mơ hình hệ thống thốt nước 1 chiều (Drainage Network ID model)
Đây là mơ hình giải quyết bài tốn dịng chảy một chiều sử dụng phương trình Saint-Venant để mơ phỏng các q trình dịng chảy trong mạng lưới đường ống thoát nước, bao gồm cả các thiết bị phức tạp như máy bơm, cửa, đập tràn, van... Chất lượng của các mơ hình này phụ thuộc vào chất lượng của dữ liệu đầu vào và quá trình hiệu chỉnh. Mơ hình 1D thường xử lý dịng chảy có áp và tự do. Biên sử dụng trong mơ
hình thường là dịng chảy lưu vực hoặc dịng chảy mùa khơ tại các biên thu nước và mực nước tại các cửa ra.
Hình 2.5: Sơ đồ tính tốn dịng chảy trong hệ thống thốt nước 1 chiều
Mơ hình 1D khơng mơ phỏng định tuyến lũ bề mặt, cộng với mực nước được tính trong việc lưu trữ ảo không liên quan đến thực tế của nước tràn.
Hệ phương trình Saint – Vernant tính tốn dịng chảy khơng ổn định trong hệ thống đường ống trong mơ hình MOUSE dựa trên các giả thiết sau:
+ Nước không bị nén và đồng nhất, nghĩa là khơng có sự thay đổi về mật độ. + Ma sát đáy nhỏ, do đó cos của góc đáy có thể coi bằng 1.
+ Bước sóng lớn hơn độ sâu mực nước. Điều này cho phép dòng chảy ở mọi nơi có thể coi như có hướng song song với đáy nghĩa là bỏ qua gia tốc dọc và giả định áp lực thủy tĩnh theo chiều dọc.
Phương trình liên tục: Phương trình động lượng: ∂Q ∂x + ∂A ∂t = 0 ∂Q ∂t + ∂ (αQ 2 A ) ∂x + gA ∂Q ∂x + gAIf = gAI0 Dòng chảy 1D và trao đổi giữa 2 lớp
Trong đó: Q = lưu lượng dịng chảy (m3/s). A = diện tích dịng chảy (m2). y = lớp dòng chảy (m).
g = gia tốc trọng trường (m/s2).
x = khoảng cách theo hướng dòng chảy (m). t = thời gian (s).
α = hệ số phân phối vận tốc. I0 = độ dốc đáy.
If = độ dốc ma sát.
c) Mơ hình 1D - 2D: Kết hợp mơ hình mơ phỏng hệ thống thốt nước 1 chiều với mơ hình mơ phỏng dịng chảy bề mặt 2 chiều
Dòng chảy hệ thống thoát nước vẫn được mơ phỏng trong mơ hình 1 chiều nhưng dòng chảy bề mặt được tính bằng giải phương trình Saint-Venant cho dịng chảy 2 chiều. Mơ hình 2 chiều được sử dụng để mơ phỏng chính xác địa hình bề mặt đơ thị, bao gồm các tịa nhà, ao, các cơng trình kiến trúc khác. Tính tốn thủy động lực học dịng chảy sử dụng mơ hình bề mặt 2 chiều cho phép tính tốn như dòng chảy với vận tốc 2 hướng thành phần.
Dòng chảy 2D và trao đổi với dòng
Việc trao đổi nước giữa mạng 1 chiều và mạng 2 chiều sẽ được xử lý thông qua các liên kết nối, thường nằm ở hố ga, các nút của mạng lưới hệ thống thu nước 1D sẽ được kết nối với ơ lưới của mơ hình bề mặt 2D. Như vậy, kết quả của mơ hình 1D - 2D phụ thuộc nhiều vào độ chính xác và mức phân giải của dữ liệu địa hình (mật độ & độ cao, các tịa nhà...) tạo lưới trong mơ hình bề mặt 2D. Kích thước lưới khuyến khích dùng cho mơ hình bề mặt 2D đơ thị thường là 1m đến 5m.
Sử dụng công cụ GIS để xử lý số liệu để đảm bảo các đặc điểm địa hình chính sẽ được cung cấp đẩy đủ vào mơ hình 2D.
Từ các lớp dữ liệu tính tốn tổng hợp các thơng tin tạo lập dữ liệu địa hình thể hiện đầy đủ dữ liệu các lớp nhà cửa, đường phố, diện tích cơng viên, diện tích sử dụng đất, ao hồ. Càng xử lý chính xác dữ liệu địa hình thì kết quả tính tốn 2D càng chính xác.
2.3 Ứng dụng mơ hình Mike Urban
Với tính linh hoạt cao, giao diện người dùng dễ sử dụng và được tích hợp với hệ thống GIS mơ hình Mike Urban có nhiều ứng dụng thiết thực trong bài toán thoát nước và cấp nước.
Với ứng dụng thốt nước có thể kể đến việc thiết lập mơ hình hệ thống thốt nước thải và nước mưa; Phân tích chất lượng nước; Ước tính vận chuyển và bồi lắng bùn cát trong hệ thống; Lập kế hoạch thoát nước tổng thể cho hệ thống; Tối ưu hóa và thiết kế giải pháp vận hành theo thời gian thực.
Với ứng dụng cấp nước có thể đến Ước tính nhu cầu tại nút cấp; Dự báo sự chuyển động và vị trí các chất ơ nhiễm; Phân tích dịng chảy dành cho cứu hỏa động lực; Lập kế hoạch dự phòng và đánh giá rủi ro.
2.3.1 Một số ứng dụng Mike Urban ở Việt Nam
Ở Việt Nam niện nay, các đề tài nghiên cứu thốt nước đơ thị thường tập trung vào các thành phố lớn như là Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Hải Phịng…, những thành
phố lớn có mức độ đơ thị hóa nhanh thường xuyên bị ngập khi có mưa lớn do hệ thống tiêu thoát kém hiệu quả.
1. Năm 2016, Nguyễn Quang Bình và các đồng nghiệp, Đại học Bách khoa Đà Nẵng, đã ứng dụng mơ hình Mike Urban đánh giá hệ thống thốt nước mưa của quận Cẩm Lệ (33,76km2), thành phố Đà Nẵng [2]. Mơ hình trong nghiên cứu bao gồm 98 hố ga, 5 cửa ra, 1 hồ điều hịa và 101 đường ống. Mơ hình hiệu chỉnh với trận mưa ngày 07/11/2011 và tính tốn với các trận mưa lớn (2008), trận mưa trung bình (2007) và trận mưa nhỏ (2006). Kết quả hiệu chỉnh mơ hình tại 2 nút có số liệu quan trắc với chỉ số Nash đạt 0.825 và 0.918, sử dụng thông số (hệ số nhám Manning) áp dụng cho các khu vực còn lại đồng thời kiểm tra khả năng thoát nước ứng với các trận mưa khác nhau. Nghiên cứu đã tính tốn với các trận mưa lớn, trung bình và mưa nhỏ từ đó thống kê, đánh giá được các nút ngập, đã đề xuất xây dựng thêm hệ thống hố ga và đường ống tại các vị trí ngập thống kê. Tuy nhiên, nghiên cứu vẫn chưa kiểm định mơ hình, chưa đánh giá các điểm ngập với mực nước chảy tràn bề mặt.
2. Năm 2013, Phạm Mạnh Cổn và đồng sự, trường ĐHQGHN, đã trình bày kết quả trận lụt lịch sử năm 2008 tại nội thành Hà Nội [1]. Nghiên cứu sử dụng mơ hình Mike Flood kết nối với Mike Urban và Mike 21. Dự liệu mơ hình thiết lập với 20,7km kênh hở, hơn 217km cống ngầm và trên 3000 hố ga và hố thăm. Bộ mơ hình đã được hiệu chỉnh và kiểm định với kết quả tính tốn tương đối phù hợp với kết quả thực đo. Nghiên cứu đánh giá trận ngập lụt tại nội thành Hà Nội năm 2008, phân tích diễn biến ngập và đưa ra các giải pháp mở rộng kích thước cống, thêm các cống làm giảm đáng kể mức độ ngập tại nhiều vị trí.
3. Năm 2011, GS. TS. Lê Sâm và đồng sự thuộc Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam đã hoàn thành đề tài độc lập cấp nhà nước về Nghiên cứu đề xuất các giải pháp chống ngập cho thành phố Hồ Chí Minh [9]. Đề tài đã sử dụng mơ hình thủy văn, thủy lực Mike 11 và Mike Mouse. Mơ hình Mike Mouse kết nối với hệ thống sông kênh và cống ngầm (cho khu đô thị cũ) nhằm đưa ra giải pháp tiêu nước bổ sung bằng động lực khi mưa lớn, triều cường. Trước đó, năm 2009, GS. TS. Lê Sâm và đồng sự
toán tiêu thoát nước cho lưu vực rạch Ruột Ngựa – thành phố Hồ Chí Minh. Nghiên cứu sử dụng tài liệu gồm bản đồ khu vực, tài liệu cống tiêu thoát nước, tài liệu sử dụng đất và bản đồ độ cao số khu vực. Tính tốn với số liệu mưa lớn nhất năm 2017 với tổng cường độ mưa là 107.9mm, biên mực nước tại 5 vị trí cho 2 trường hợp khi có mưa lớn và khi có triều cường. Kết quả nghiên cứu đã đánh giá hiện trạng các đường ống thoát nước, đề xuất các biện pháp bổ sung nhưng chưa đưa vào tính tốn và nghiên cứu chưa đưa ra được kiểm định và hiệu chỉnh mơ hình với số liệu thực đo.
2.3.2 Một số ứng dụng Mike Urban ở trên thế giới
Vấn đề giải quyết tiêu thoát nước tại các đơ thị có từ hàng ngàn năm trước, gắn liền với q trình đơ thị hóa và trình độ phát triển khoa học kỹ thuật. Kỹ thuật tiêu thoát nước chỉ thực sự bắt đầu sau khi có cuộc cách mạng cơng nghiệp khoảng giữa thế kỷ XIX. Khởi đầu có thể tính từ năm 1852 với sự ra đời của các bảng tính độ dốc và kích thước các cống tiêu của John Roe. Hiện nay trên thế giới, nhất là các nước đang phát triển ở Châu Á với hệ thống tiêu thốt nước chưa được hồn thiện, mơ hình Mike Urban đã được ứng dụng để giải các bài toán tiêu thoát nước cho các thành phố và đang được áp dụng ngày càng rộng hơn.
Dưới đây là một số trong nhiều đề tài ứng dụng Mike Urban trên thế giới. 1. Năm 2018, Qinghua Luan và đồng nghiệp đã công bố kết quả ứng dụng mơ hình Mike Urban cho tiêu thốt nước quận Lincheng, một quận miền núi thuộc tỉnh Hà Bắc, Trung Quốc [16]. Mơ hình trong nghiên cứu có 120 hố ga ảnh hưởng, 3 cửa xả và tổng cộng 121 đường ống bê tơng trịn với tổng chiều dài 47738,6m, phân chia thành 122 tiểu lưu vực tập trung nước. Nghiên cứu mơ phỏng và kiểm định mơ hình với 2 trận mưa (19/07/2016 và 06/07/2017) tại 4 hố ga với chênh lệch giữa thực đo và tính tốn trong mơ phỏng và kiểm định đều dưới 1cm. Kết quả tính tốn với tần suất mưa lặp lại đã đánh giá được các vị trí hố ga và đường ống bị ngập, kết quả phân tích cung cấp kỹ thuật cho việc cảnh báo sớm vùng gập và xây dựng hệ thống tiêu thoát cho vùng nghiên cứu.
2. Năm 2012, V. Vidyapriya và Dr. M. Ramalingam – Học giả, Giám đốc Viện Viễn thám, Đại học Anna, Ấn Độ đã cơng bố kết quả ứng dụng mơ hình Mike Urban cho lưu vực Jafferkhanpet trên tạp chí quốc tế về cơng nghệ giảm thiểu ô nhiễm [17]. Lưu vực nghiên cứu có diện tích 2.94km2 nằm ở phía Nam thành phố Chennai. Nghiên cứu sử dụng bộ mơ hình với 146 hố ga, 4 cửa xả, 150 lưu vực tập trung nước, thời đoạn mô phỏng 7 tiếng với bước thời gian 1 phút. Nghiên cứu mơ phỏng và phân tích ngập với số liệu mưa tần suất lặp lại là 5, 10, 20 và 50 năm cho hệ thống cũ năm 1980 và đề xuất hệ thống mới năm 2009, đưa ra được sự thay đổi độ ngập tại các hố ga với từng tần suất mưa lặp lại. Kiểm định mơ hình đã đưa ra đánh giá tại 4 vị trí với kết quả tính tốn lớn hơn số liệu thực đo. Nghiên cứu đã đánh giá được mức độ ngập tại lưu vực nghiên cứu nhưng vẫn cịn thiếu đáng kể số liệu thực đo để mơ phỏng và kiểm định.
3. Năm 2001, Ole Mark và đồng nghiệp tại Viện Kỹ thuật Châu Á đã công bố đề tài Mơ hình hóa lũ đơ thị ở thành phố Dhaka, Bangladesh [14]. Nghiên cứu sử dụng mơ hình MOUSE cho 2 hệ thống cơ bản mơ tả dồng chảy tràn tự do bề mặt và hệ thống cống với dữ liệu DEM 5m, tính tốn cho trận lũ 1996 và hiện tại cho kết quả tính độ ngập tại vị trí Shantinagar đạt 55cm kéo dài tầm 16 giờ. Phân tích lý do ngập đưa ra là sự quá tải của ống cống và hồ ga hạ lưu hệ thống. Nghiên cứu đã đánh giá được mức độ ngập và thời gian ngập tại các vị trí của hệ thống hiện tại và hệ thống đã áp dụng biện pháp tăng cường.
Chương 3. ỨNG DỤNG MƠ HÌNH MIKE URBAN TÍNH TỐN THỐT NƯỚC CHO THÀNH PHỐ HÀ TĨNH DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
3.1 Thiết lập hiện trạng hệ thống thoát nước của thành phố Hà Tĩnh
Thiết lập hiện trạng hệ thống thoát nước bao gồm các phần chính: + Thiết lập hệ thống thốt nước hiện trạng căn cứ số liệu thu thập + Hiệu chỉnh mơ hình với trận mưa ngày 23/04/2015.
+ Kiểm định mơ hình với trận mưa ngày 16/09/2015.
3.1.1 Số liệu thu thập
Số liệu mạng lưới thoát nước:
- Bản đồ hệ thống thoát nước do URENCO cung cấp, dữ liệu dạng AutoCAD. - Số liệu hệ thống thốt nước gồm sơ đồ vị trí, kết nối đường cống, phân loại cống hộp, cống trịn, kênh hở, kích thước đường ống, cao độ tại đáy rãnh thoát nước; mặt cắt ngang các tuyến kênh; vị trí hố ga, cao độ tại hố ga.
Số liệu địa hình:
- Bản đồ DEM 10m toàn bộ khu vực nội thị thành phố Hà Tĩnh. - Các điểm cao độ thực đo bao gồm 4752 điểm đo bổ sung.
Số liệu mưa:
- Số liệu mưa ngày các trạm Hà Tĩnh (1958 – 2017), Kỳ Anh (1961 – 2017), Hương Khê (1961 – 2015) thuộc trong và lân cận phố Hà Tĩnh.
- Số liệu mưa giờ trạm khí tượng Hà Tĩnh từ 2015 - 2017.
Số liệu đê bao và cống dưới đê:
- Đê Hữu Phủ với 4 cống tiêu dưới đê (kết cầu BTCT). - Đê Đồng Môn với 8 cống tiêu dưới đê.
- Đê Yên Hòa với 7 cống tiêu dưới đê.
- Đê Cầu Phủ - Cầu Nủi - Đê Trung Linh với 6 cống tiêu dưới đê.
Thành phố Hà Tĩnh hiện đang được bảo vệ bởi các tuyến đê Cầu Phủ - Cầu Nủi, Trung Linh, Đồng Môn, tuyến đường tránh thành phố Hà Tĩnh từ cầu Phủ 2 đến cầu Đơng 2 có cao trình từ +3,5m đến +3,76m, tỉnh lộ 17 đoạn từ đường tránh đến cầu Nủi hiện nay có cao trình xấp xỉ +2,0m đến +2,2m và kênh dẫn nước tưới N9 từ hồ Kẻ Gỗ có cao độ trong địa phận thành phố từ 3,75 ÷ 5,16m. Cùng với việc các cống tiêu dưới đê được đóng lại khi có lũ có thể coi thành phố Hà Tĩnh là một lưu vực kín.
Hình 3.1: Bản đồ DEM khu vực nghiên cứu
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 hịa 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