THỐNG TIÊU TRẠM BƠM PHÙ ĐỔNG
3.2. Tính toán chế độ tiêu cho hệ thống
3.3.1. Chọn mô hình mô phỏng dòng chảy
Để mô phỏng dòng chảy trong kênh tiêu Phù Đổng, tôi chọn mô hình SWMM5.0 để mô tả diễn toán dòng chảy trong hệ thống kênh.
3.3.1.1. Giới thiệu sơ lược về mô hình SWMM5.0
Mô hình quản lý nước mặt SWMM của US EPA (Cơ quan Bảo vệ môi trường Hoa Kỳ) là mô hình động lực học dòng chảy mặt do nước mưa tạo nên, dùng để mô phỏng dòng chảy một thời đoạn hoặc dòng chảy nhiều thời đoạn (thời gian dài) cả về lượng và chất. Mô hình có mục đích chính là tính toán quá trình hình thành dòng chảy do mưa bão gây ra, áp dụng chủ yếu để thiết kế thoát nước cho khu vực đo thị và cả nông thôn. Phần mô phỏng dòng chảy tuyến của SWMM đề cập đến sự vận chuyểndòng chảy nước mặt qua một hệ thống các ống, các kênh, các công trình trữ hoặc điều tiết nước, các máy bơm và các công trình điều chỉnh nước. SWMM xem xét khối lượng và chất lượng của dòng chảy sinh ra từ các tiểu lưu vực, lưu lượng dòng chảy, độ sâu dòng chảy, chất lượng của nước trong mỗi đường ống và kênh dẫn trong suốt thời gian mô phỏng bao gồm nhiều bước thời gian.
Từ khi bắt đầu được lập ra, SWMM đã được sử dụng trong hàng nghìn nghiên cứu về thoát nước mưa trên toàn thế giới. Các ứng dụng điển hìnhcủa SWMM là:
- Thiết kế và bố trí các thành phần của hệ thống tiêu để kiểm soát lũ.
- Bố trí các công trình trữ nước (điều hòa nước) và các thiết bị của chúng để kiểm soát lũ và bảo vệ chất lượng nước.
- Lập bản đồ ngập lụt của hệ thống kênh tự nhiên.
- Vạch ra phương án làm giản hiện tượng chảy tràn của mạng lưới thoát nước hỗn hợp.
- Đánh giá tác động của dòng chảy vào và dòng thấm lên sự chảy tràn của hệ thống thoát nước.
- Tạo ra các hiệu ứng BMP để làm giảm sự tải chất ô nhiễm khi trời mưa.
3.3.1.2. Phương pháp tính toán của mô hình.
SWMM5.0 là mô hình mô phỏng các quá trình theo các bước thời gian rời rạc.
SWMM5.0 mô phỏng số lượng và chất lượng nước qua các quá trình vật lý sau:
Quá trình sinh dòng chảy mặt; Quá trình thấm; Nước ngầm; Tuyết tan; Diễn toán dòng chảy; Ao nước mặt; Diễn toán chất lượng nước.
- Dòng chảy mặt
Mỗi Subcatchment được xem như là một hồ chứa phi tuyến. Dòng chảy vào Subcatchment bao gồm mưa và dòng chảy từ Subcatchment phía trên đã được xác định. Dòng chảy ra khỏi Subcatchment bao gồm: thấm, bốc hơi và dòng chảy mặt.
Dung tích của “hồ chứa” này là khả năng trữ nước lớn nhất của các ao, vùng ẩm ướt và những vật ngăn cản dòng chảy. Lưu lượng Q của dòng chảy mặt chỉ xuất hiện khi chiều sâu nước trong “hồ chứa” vượt quá chiều sâu trữ nước.
Quá trình thấm nước mưa vào vùng đất chưa bão hoà nằm dưới phần diện tích thấm nước của Subcatchment được SWMM5 mô tả theo 3 phương pháp: Phương pháp Horton; Phương pháp Green-Ampt; Phương pháp SCS. Quá trình tính toán dòng chảy mặt được thực hiện bởi modul Block RUNOFF dựa trên phương trình liên tục và công thức thực nghiệm Manning-Strickler như sau:
2 2
2 . ) ( ) ) (
( )
( h t t h t R t
WCON A t
V t V
h t t
h r i ∆
+∆ + − +
− ∆ +
=
∆
+ (3.25)
Với 1.B.k.J21
WCON = A (3.26)
Trong đó:
) (t t
h +∆ và h(t): Độ sâu dòng chảy mặt tại cuối và đầu thời đoạn tính toán ∆t.
Vr: Tổng lượng mưa.
Vi: Tổng lượng thấm.
R: Chiều sâu lớp nước trữ trên mặt lưu vực.
B: Chiều rộng diện tích hứng nước
J: Độ dốc đáy của phần diện tích tính toán A: Diện tích lưu vực
Sử dụng kỹ thuật giải lặp Newton-Raphson để giải phương trình (4.2) tìm ẩn số h(t+∆t) sau đó tìm giá trị Q(t+∆t) theo phương trình Manning-Strickler:
3 5 2
1
2 ) ( ) . (
. )
(
+∆ + −
=
∆
+ h t t h t R
J k B t t
Q (3.27)
Với từng bước thời gian ∆t ta xác định được giá trị lưu lượng chảy tràn là điều kiện biên cho các bước tính toán tiếp theo.
*Diễn toán dòng chảy
Diễn toán dòng chảy trong phạm vi một đường ống/kênh trong SWMM5 bị chi phối bởi các phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng cho dòng chảy không đều biến đổi chậm (hệ phương trình Saint Venant).
Hệ phương trình cơ bản:
- Phương trình liên tục:
=0
∂ +∂
∂
∂ x Q t
A (3.28)
- Phương trình động lực:
0 .
. .
. . 2 .
. 2 =
∂ + ∂
∂
− ∂
∂
− ∂
∂ +
∂
x A H x g V A t V A S A t g Q
f (3.29)
Trong đó:
Q: Lưu lượng chuyển qua mặt cắt kênh đang xét A (m3/s).
V: Tốc độ dòng chảy ở mặt cắt đang xét (m/s).
A: Diện tích mặt cắt ngang kênh tại mặt cắt đang xét (m2).
H: Cột nước áp lực tại mặt cắt đang xét (m).
Sf: Độ dốc mặt nước
|
| . .
. 3
4 Q V
R A g
Sf = k (3.30)
k = g.n2 (n: hệ số nhám Manning) R: Bán kính thủy lực (m)
Người sử dụng SWMM5 có sự lựa chọn về mức độ chính xác được sử dụng để giải các phương trình này theo các cách sau: Diễn toán dòng chảy đều; Diễn toán sóng động học; Diễn toán sóng động lực học.
Diễn toán dòng chảy sóng động học giải phương trình liên tục cùng với hình thức đơn giản nhất của phương trình động lượng trong mỗi đường ống/kênh.
Dòng chảy lớn nhất có thể vận chuyển qua một đường ống/ kênh là giá trị của dòng chảy đầy tính theo công thức Manning. Khi dòng chảy nhập vào các nút có trị số lớn hơn trị số đó thì có hình thành một ao trên đỉnh của nút hoặc một phần lượng dòng chảy bị tổn thất khỏi hệ thống.
Diễn toán dòng chảy sóng động học cho phép dòng chảy và diện tích mặt cắt biến đổi theo cả không gian và thời gian trong phạm vi một đường ống/kênh. Điều này có thể gây ra kết quả làm chậm và làm suy yếu biểu đồ dòng chảy ra khi dòng chảy vào được dẫn qua kênh. Tuy nhiên hình thức diễn toán dòng chảy này không thể tính toán ảnh hưởng của nước vật, tổn thất ở cửa vào và cửa ra, dòng chảy với độ dốc ngược, dòng chảy có áp, và nó cũng được hạn chế đối với mạng lưới hình cây. Nó có thể luôn luôn duy trì sự ổn định về số học đối với mô phỏng bước thời gian dài từ 5 phút đến 15 phút. Nếu những ảnh hưởng trên là không đáng kể thì phương pháp diễn toán này là chính xác và hiệu quả, đặc biệt là mô phỏng với thời đoạn dài.
Diễn toán sóng động lực giải hệ phương trình Sain Venant hoàn chỉnh và vì vậy cho kết quả chính xác về mặt lý thuyết. Hệ phương trình này bao gồm phương trình động lượng và phương trình liên tục cho các đường ống/kênh và phương trình liên tục tại các nút.
Với hình thức diễn toán này, nó có thể mô tả dòng chảy có áp khi một đường ống kín bị đầy. Úng ngập có thể xảy ra khi chiều sâu ở một nút lớn hơn chiều sâu
lớn nhất, và khi đó lượng dòng chảy vượt quá hoặc là bị tổn thất khỏi hệ thống hoặc là hình thành một ao ở trên đỉnh của nút và quay trở lại hệ thống khi có thể.
Diễn toán sóng động lực học có thể tính toán khả năng trữ nước của kênh, nước vật, tổn thất ở cửa vào/cửa ra, dòng chảy ứng với độ dốc ngược, và dòng chảy có áp. Đây là phương pháp được lựa chọn để mô phỏng cho hệ thống chịu sự ảnh hưởng đáng kể của nước vật do sự hạn chế của dòng chảy hạ lưu và sự điều tiết dòng chảy qua tràn hoặc lỗ. Cách diễn toán dòng chảy này để ổn định về mặt số học đòi hỏi bước thời gian mô phỏng nhỏ, khoảng chừng 1 phút hoặc nhỏ hơn.