Mô hình quản lý nước mưa (SWMM) là một mô hình mô phỏng động lực học dòng chảy, thường được sử dụng cho những mô phỏng đơn lẻ hoặc dài hạn về khối lượng và chất lượng dòng chảy chủ yếu cho những khu vực đô thị. SWMM quản lý và điều khiển những lưu vực thu nước, nơi nhận nước mưa và tạo ra dòng chảy và vận chuyển những chất ô nhiễm. SWMM vận chuyển dòng chảy này thông qua một hệ thống những đường ống, kênh mương, thiết bị chứa đựng/xử lý, bơm và thông qua người điều khiển. SWMM theo dừi khối lượng và chất lượng của dũng chảy phỏt sinh trong mỗi lưu vực thu nước, và theo dừi mức độ lưu lượng, độ sõu dũng chảy và chất lượng nước trong mỗi ống hoặc kênh trong suốt thời đoạn mô phỏng (bao gồm rất nhiều các bước thời gian).
SWMM bắt đầu được sử dụng vào năm 1971 và sau đó được cải tiến rất nhiều lần. Hiện nay, nó vẫn tiếp tục được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu cho việc quy hoạch, phân tích và thiết kế liên quan đến dòng chảy nước mưa, những cống kết nối, những cống vệ sinh và những hệ thống thoát nước khác trong khu vực nội thị; đồng thời nó cũng có rất nhiều những ứng dụng cho những khu vực ngoại thị. Phiên bản hiện thời (phiên bản 5) là nổi trội nhất. Chạy trên môi trường Windows, SWMM 5 cung cấp một môi trường tổng hợp cho việc điều chỉnh dữ liệu đầu vào của khu vực nghiên cứu, chạy mô hình thủy lực, mô phỏng chất lượng nước, và quan sát kết quả của mô hình theo những trạng thái khác nhau. Điều này bao gồm khu vực thoát nước được mã màu và bản đồ hệ thống vận chuyển, những bảng và đồ thị chuỗi thời gian, những sơ đồ sơ lược, và những phân tích tần suất thống kê.
Đây là phiên bản mới nhất của SWMM được viết bởi tổ chức nghiên cứu rủi ro quốc gia về việc bảo vệ môi trường, phân chia nguồn nước và cấp nước của Mỹ với sự trợ giúp của hãng tư vấn CDM.
2.5.1. Đặc điểm mô phỏng thủy lực
SWMM miêu tả những quá trình thủy lực khác nhau của những dòng chảy trong khu vực đô thị. Những quá trình này bao gồm:
- Lượng mưa thay đổi theo thời gian.
- Sự bay hơi nước ở bề mặt.
- Quá trình tích luỹ và tan tuyết.
- Sự chứa nước mưa trong những vùng đất trũng.
- Sự thấm nước mưa vào trong những lớp đất chưa bão hoà - Quá trình thấm nước từ hệ thống tiêu vào tầng nước ngầm - Sự hoà trộn giữa nước nước ngầm và hệ thống thoát nước
Khả năng thay đổi theo không gian của tất cả những quá trình này có thể đạt được bằng cách chia khu vực nghiên cứu thành một tập hợp của những lưu vực thu nước đồng nhất và nhỏ hơn, mỗi vùng lại chứa những vùng đất nhỏ hơn. Lưu lượng chảy tràn có thể được chảy về những lưu vực nhỏ, về những khu vực thu nước, hoặc về những điểm đầu vào của hệ thống thoát nước.
SWMM cũng bao gồm một bộ số mô hình thủy lực có khả năng linh hoạt được sử dụng để mô phỏng quá trình dòng chảy vào và ra những đường ống, kênh dẫn, công trình xử lý/chứa và những công trình nắn dòng của mạng lưới hệ thống thoát nước. Về vấn đề này, SWMM gồm có những khả năng sau:
- Điều khiển mạng lưới với quy mô không giới hạn
- Sử dụng đa dạng những hình dạng ống dẫn tiêu chuẩn đóng hoặc mở, đồng thời sử dụng những kênh tự nhiên
- Mô hình những thiết bị đặc biệt như các công trình xử lý/chứa, thiết bị phân chia lưu lượng, bơm, đập nước, và vòi phun
- ứng dụng những dòng chảy bên ngoài và đầu vào chất lượng nước từ dòng
chảy mặt, sự hoà trộn nước ngầm, quá trình thấm nước mưa vào trong tầng nước ngầm cũng như lớp đất chưa bão hoà nước, dòng chảy sạch trong điều kiên thời tiết khô, và những dòng chảy được người sử dụng định nghĩa
- Phương pháp dòng đều, phương pháp sóng động học hoặc phương pháp sóng động lực học
- Mô hình những chế độ dòng chảy khác nhau, như dòng chảy ngược, dòng chảy quá tải, hoặc dòng chảy bề mặt trong hồ, ao
- ứng dụng những quy luật động học để mô phỏng sự vận hành của bơm, độ mở cống, và độ cao của đập
2.5.2. Những đặc điểm mô hình chất lượng nước
Ngoài khả năng mô hình sự phát sinh và chuyển động của dòng chảy, SWMM còn có khả năng đánh giá được hàm lượng của chất ô nhiễm được vận chuyển trong dòng chảy. Những quá trình sau đây có thể được mô phỏng cho bất cứ số thành phần chất lượng nước nào:
- Sự tích luỹ chất ô nhiễm trong thời tiết khô hạn trong những vùng đất sử dụng khác nhau.
- Chất ô nhiễm được làm sạch từ những vùng đất sử dụng riêng biệt trong suốt mùa mưa.
- Sự đóng góp trực tiếp của sự lắng đọng nước mưa
- Sự giảm bớt các chất ô nhiễm trong thời tiết khô do hoạt động rửa đường - Đầu vào của dòng chảy vệ sinh trong thời tiết khô và dòng chảy vào từ bên
ngoài tại bất cứ điểm nào trong hệ thống thoát nước
- Sự chuyển động của các chất có trong nước thông qua hệ thống thoát nước - Sự giảm nồng độ các chất thông qua quá trình xử lý trong những công trình
chuyển nước do quá trình xử lý tự nhiên trong ống và kênh dẫn.
2.5.3. Ứng dụng điển hình của SWMM
Kể từ khi xuất hiện, SWMM đã được sử dụng trong hàng trăm những nghiên cứu về nước thải và nước mưa. Những ứng dụng điển hình của SWMM bao gồm:
- Thiết kế và xác định quy mô kích thước những công trình của hệ thống thoát nước để kiểm soát lũ lụt.
- Xác định quy mô, kích thước của những công trình và thiết bị đi kèm với nó để kiểm soát lũ cũng như bảo vệ chất lượng nước.
- Bản đồ ngập lụt của hệ thống sông hoặc kênh tự nhiên.
- Xây dựng những kế hoạch kiểm soát để giảm thiểu lượng nước thải bị tràn ra khỏi đường ống thoát nước chung.
- Đánh giá sự ảnh hưởng của nước bẩn từ bên ngoài chảy vào trực tiếp hoặc thấm vào hệ thống thoát nước riêng
- Sự phát sinh chất ô nhiễm đối với những nghiên cứu trong vận chuyển nước thải.
- Đánh giá tính hiệu quả của BMPs đối với việc giảm chất ô nhiễm trong truyền tải với điều kiện thời tiết ướt.
2.5.4. Các bước để sử dụng SWMM
Sử dụng EPA SWMM để mô phỏng một khu vực nghiên cứu thông qua các bước sau:
a) Xác định một bộ số tuỳ chọn mặc định và những đặc tính của đối tượng để sử dụng.
b) Vẽ các thành phần vật lý của mạng lưới trong khu vực nghiên cứu.
c) Biên tập các đặc tính của các đối tượng xây dựng nên hệ thống.
d) Lựa chọn một bộ số những tuỳ chọn phân tích.
e) Chạy mô hình mô phỏng.
f) Quan sát kết quả mô phỏng.
2.5.5. Nhận xét về mô hình
Mô hình SWMM được sử dụng trong tính toán các hệ thống tiêu nước đô thị, khu công nghiệp hoặc vùng sản xuất nông nghiệp. Mô hình cho phép mô phỏng mạng lưới thoát nước bao gồm đường ống, kênh hở, cống, tràn, trạm bơm, bể chứa (hồ chứa)... Các số liệu đầu vào đơn giản dễ thu thập, mô phỏng chi tiết diễn biến mực nước, lưu lượng, độ sâu dòng chảy, độ sâu ngập úng tại từng nút theo thời gian (không khống chế thời gian). Nó mô phỏng được quá trình truyền chất ô nhiễm trong mạng lưới đường thoát nước. Đây là phiên bản mới có nhiều tính năng trong tính toán, phiên bản này đã được sử dụng tính toán cho mạng lưới thoát nước cho bước thiết kế, quy hoạch và kiểm soát lũ tại Mỹ, các phiên bản cũ đã được ứng dụng tại Việt Nam.
2.6. LỰA CHỌN MÔ HÌNH TÍNH HỆ SỐ TIÊU NƯỚC MẶT CHO KHU