VI. Kết quả dự kiến đạt được
2.2.5. Phương pháp tính toán
SWMM là một mô hình mô phỏng dựa vào vật lý với thời gian rời rạc. SWMM sử dụng các nguyên lý về bảo toàn khối lượng, năng lượng và động lượng. Mô tả ngắn gọn các phương pháp mà SWMM sử dụng để mô hình sốlượng và chất lượng dòng chảy nước mưa thông qua các quá trình vật lý sau:
- Dòng chảy mặt; - Nước ngầm; - Dòng chảy tuyến; - Thấm; - Tuyết tan; - Sự tạo thành vũng ngập trên bề mặt; - Dòng chảy chất lượng nước. a. Dòng chảy mặt
Quan niệm về dòng chảy mặt (Surface Runoff) mà SWMM sử dụng được minh họa trên hình 2.4. Mỗi bề mặt tiểu lưu vực được coi như là một "hồ chứa" phi tuyến. Dòng chảy vào đến từ lượng nước rơi (mưa, tuyết) và dòng chảy từ các tiểu lưu vực nào đó ở phía thượng lưu được khai báo. Các dòng chảy ra bao gồm: ngấm, bốc hơi, dòng chảy mặt. Dung tích của "hồ chứa" này là mức trữ nước chỗ lõm tối đa, đó là mức trữ bề mặt lớn nhất được tạo ra như sự tạo thành hồ, sự
làm ướt bề mặt và sự cản nước. Lưu lượng dòng chảy mặt Q trên một đơn vị diện tích xảy ra chỉ khi độ sâu nước trong "hồ chứa" vượt quá mức trữnước chỗ lõm tối đa dp, mà trong trường hợp đó dòng chảy ra được tạo thành theo công thức Manning. Độ sâu nước d trên tiểu lưu vực được cập nhật liên tục theo thời gian t qua phép giải sốcho phương trình cân bằng nước trên tiểu lưu vực.
b. Thấm
Thấm (Infiltration) là quá trình nước mưa xuyên qua bề mặt vào trong đới đất chưa bão hòa ở các diện tích thấm được của tiểu lưu vực. SWMM đưa ra ba lựa chọn để mô hình sự thấm:
+ Phương pháp Horton
Đây là phương pháp dựa trên các quan trắc thực nghiệm, cho rằng mức độ thấm giảm đi theo sốmũ từ một tốc độban đầu lớn nhất tới một tốc độ nhỏ nhất nào đó trong suốt quá trình diễn biến của trận mưa. Các thông sốđầu vào cần thiết cho phương pháp này bao gồm các hệ số thấm lớn nhất và nhỏ nhất, hệ số suy giảm biểu thị tốc độ thấm giảm đi theo thời gian, và thời gian cần thiết đểđất từ lúc bão hòa hoàn toàn đến lúc khô hoàn toàn.
Hình 2.4: Quan niệm về dòng chảy mặt
+ Phương pháp Green-Ampt
Phương pháp này dùng để mô hình sự thấm với giả thiết rằng tồn tại một mặt ướt rõ ràng trong cột đất ngăn cách tầng đất có một độ ẩm ban đầu nào đó ở bên dưới khỏi đất bão hòa ở bên trên. Các thông sốđầu vào cần thiết là độ thiếu ẩm ban đầu của đất, hệ số ngấm của đất và độcao hút nước tại mặt ướt.
+ Phương pháp số đường cong (Curve Number Method)
Cách tiếp cận này được tiếp thu từ phương pháp số đường cong NRCS (SCS) để tính toán dòng chảy. Phương pháp này cho rằng, có thểtìm được tổng dung lượng thấm của đất từ đường cong số cho dưới dạng bảng. Trong suốt trận mưa dung lượng này bị suy yếu dần theo một hàm số của lượng mưa và dung lượng còn lại. Các thông số đầu vào cho phương pháp này là đường cong số, hệ số thấm của đất (dùng để tính thời gian chia ra nhỏ nhất cho trận mưa) và thời gian cần cho đất bão hòa hoàn toàn đến khô hoàn toàn.
c. Nước ngầm
Hình 2.5 là một minh hoạ khái niệm về một mô hình nước ngầm hai vùng mà SWMM sử dụng. Vùng đất phía trên chưa bão hoà với độ ẩm là θ. Vùng đất phía dưới đã bão hoà hoàn toàn vì vậy độ ẩm của nó được cố định tại độ rỗng φ. Các dòng nước thể hiện trong hình vẽ được biểu diễn theo thể tích trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian, bao gồm:
Trong đó:
fI - Lượng nước từ bên trên mặt đất thấm xuống đất;
fEU - Lượng thoát bốc hơi nước từ lớp đất phía trên, tính theo tỷ lệ cố định của bốc hơi bề mặt;
fU - Lượng nước thấm từ lớp đất phía trên xuống lớp đất phía dưới, phụ thuộc vào độẩm θ của lớp đất phía trên và chiều sâu dU;
fEL - Lượng thoát bốc hơi từ lớp đất phía dưới, phụ thuộc vào chiều sâu của lớp đất phía trên dU;
fL - Lượng nước thấm từ lớp đất phía dưới vào nước ngầm tầng sâu, phụ thuộc vào chiều sâu dL của lớp đất phía dưới;
fG - Lượng nước ngầm ở bên chảy vào hệ thống tiêu, phụ thuộc vào chiều sâu lớp đất thấp hơn dL và chiều sâu của kênh hoặc nút nhận nước.
Sau khi tính toán các dòng chảy trong thời đoạn đang xét, dùng phương trình cân bằng khối lượng viết cho sựthay đổi thể tích nước trữ trong mỗi lớp đất, từđó tính được chiều sâu mực nước ngầm mới và độ ẩm của lớp đất chưa bão hoà cho thời đoạn tiếp theo.
d. Tuyết tan
Quá trình tuyết tan trong SWMM là một phần của quá trình mô hình dòng chảy. Nó cập nhật động thái của các đám tuyết quan hệ với từng tiểu lưu vực bằng cách tính toán sựtích lũy tuyết, sự phân phối lại tuyết theo sự xả bề mặt và các hoạt động dọn tuyết, và sự tan tuyết thông khoảng thời gian làm ấm tuyết. Bất cứlượng tuyết tan nào đi khỏi đám tuyết nào đều được coi là nguồn nước bổ sung trên tiểu lưu vực.
Tại mỗi bước thời gian dòng chảy SWMM thực hiện các tính toán sau đây: 1. Nhiệt độ không khí và các hệ số tan tuyết cập nhật theo ngày lịch.
3. Bất cứ lượng vượt quá giới hạn độ sâu tuyết trên diện tích có thể xúc được của đám tuyết đều được phân phối lại theo các thông số dọn tuyết tạo cho đám tuyết.
4. Mức độ bao phủ bề mặt của tuyết trên diện tích không thấm và thấm của đám tuyết bị giảm đi theo các đường cong xả mặt (Areal Depletion Curves) gán cho diện tích đang xét.
5. Lượng tuyết trong đám tuyết tan thành chất lỏng được tính theo:
a. Công thức tính ngân quỹđể làm ấm tuyết trong giai đoạn có mưa, nơi tốc độ tan tuyết tăng theo sự tăng nhiệt độ, tốc độ gió, và cường độ mưa.
b. Công thức tính nhiệt độ theo ngày cho các giai đoạn không có mưa, nơi tốc độ tan tuyết bằng tích số của hệ số tuyết tan và độ chênh lệch giữa nhiệt độ không khí và nhiệt độtan cơ sở của đám tuyết.
6. Nếu không có sự tan tuyết nào xảy ra thì nhiệt độ của đám tuyết được hiệu chỉnh dựa vào tích số của độ chênh lệch giữa nhiệt độ không khí hiện tại và quá khứ và một hệ số tuyết tan hiệu chỉnh. Nếu sự tan tuyết xảy ra thì nhiệt độ của đám tuyết tăng lên theo lượng nhiệt tương đương của tuyết tan, cho đến nhiệt độtan cơ sở. Bất cứ một lượng chất lỏng tan ra còn lại sau này đều có thể tạo thành dòng chảy từđám tuyết.
7. Lượng tan tuyết sau đó bị giảm đi theo dung lượng giữ nước tự do còn lại trong đám tuyết. Lượng tuyết tan còn lại được coi như là nguồn vào của lượng nước bổ sung nhập vào tiểu lưu vực.
e. Dòng chảy tuyến
Trong SWMM, dòng chảy tuyến bên trong đường dẫn bị chi phối bởi các phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng cho dòng chảy biến đổi dần, không ổn định (tức là các phương trình Saint Venant). Người sử dụng SWMM có thể chọn một trong các lựa chọn sau đây về mức độ tinh vi phức tạp dùng để giải các phương trình đó
- Dòng chảy đều (Steady Flow Routing);
- Dòng chảy tuyến sóng động học (Kinematic Wave Routing); - Dòng chảy tuyến sóng động lực học (Dynamic Wave Routing).
+ Dòng chảy tuyến ổn định (Steady Flow Routing)
Dòng chảy ổn định biểu diễn dòng chảy một cách đơn giản nhất tới mức có thể (thậm chí không có tuyến) bằng cách giả định rằng trong mỗi bước thời gian tính toán dòng chảy là đều và ổn định. Như vậy một cách đơn giản là chuyển đổi biểu đồ lưu lượng tại đầu thượng lưu tới đầu hạ lưu của đường dẫn, mà không có sự chậm tới hay sự đổi dạng. Công thức tính dòng chảy thông thường được sử dụng để xác định quan hệlưu lượng theo diện tích (hoặc theo độ sâu).
Kiểu dòng chảy này không thể tính cho sự tích nước trong kênh, hiệu ứng nước vật, tổn thất vào/ra, sựđảo chiều dòng chảy, hoặc dòng chảy có áp. Kiểu này chỉ có thể dùng với mạng lưới vận chuyển nước dạng nhánh, nơi mà mỗi nút chỉ có một đường nối ra đơn lẻ (trừ khi nút là một công trình phân dòng trong trường hợp này cần có hai đường nối dòng chảy ra). Kiểu dòng chảy tuyến này không nhạy đối với bước thời gian được dùng và thực ra chỉ thích hợp với các phân tích sơ bộ sử dụng các mô phỏng liên tục thời gian dài.
+ Dòng chảy tuyến sóng động học (Kinematic Wave Routing)
Diễn toán dòng chảy sóng động học giải phương trình liên tục cùng với dạng đơn giản nhất của phương trình động lượng trong mỗi đường ống hoặc kênh. Phương trình sau đòi hỏi rằng độ dốc của mặt nước bằng độ dốc của đường dẫn.
Lưu lượng lớn nhất có thể vận chuyển qua một đường dẫn là giá trị lưu lượng bình thường của dòng chảy đầy. Bất cứ một lưu lượng nào đó vượt quá trị sốnày đi vào nút vào thì sẽ bị mất khỏi hệ thống vừa có thể tạo thành "vũng ngập" trên đỉnh của nút vào và sẽ được đưa trở lại vào đường dẫn khi đường dẫn lại có khả năng nhận lượng nước đó.
không gian và thời gian trong đường dẫn. Điều này có thể dẫn đến biểu đồ lưu lượng dòng chảy ra bị chậm đi và giảm đi khi dòng chảy đi theo tuyến dọc kênh. Tuy nhiên dạng này của dòng chảy tuyến cũng không thể tính được cho các hiệu ứng nước vật, tổn thất vào / ra, sựđảo chiều dòng chảy, hoặc dòng chảy có áp, và nó cũng chỉ dùng cho mạng lưới bố trí theo dạng nhánh. Thông thường, có thể đạt được sự ổn định số với các bước thời gian lớn vừa phải, trong khoảng 5 đến 10 phút. Nếu các hiệu ứng kể trên là không bị đòi hỏi quá mức thì đây có thể coi là một phương pháp chính xác và có hiệu quả, đặc biệt cho việc mô phỏng thời gian dài.
+ Dòng chảy tuyến sóng động lực học (Dynamic Wave Routing)
Dòng chảy tuyến sóng động lực học giải hệ phương trình dòng chảy Sain Venant một chiều hoàn chỉnh, và vì vậy cho kết quả chính xác về mặt lý thuyết. Hệ phương trình này bao gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng cho các đường dẫn 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 dẫn kín trở nên đầy, như vậy lưu lượng có thể vượt quá giá trị lưu lượng chảy đầy bình thường. Úng ngập xảy ra khi chiều sâu nước ở một nút lớn hơn chiều sâu cho phép lớn nhất, và khi đó lưu lượng dòng chảy vượt quá hoặc là bị mất khỏi hệ thống hoặc có thể hình thành một vũng ngập ở trên đỉnh của nút và quay trở lại hệ thống khi có thể.
Diễn toán sóng động lực học có thể tính toán sự trữnước của kênh, nước vật, tổn thất ở cửa vào / cửa ra, dòng chảy có độ dốc ngược và dòng chảy có áp. Bởi vì nó kết đôi việc giải cả mực nước tại nút và cảlưu lượng trong đường dẫn với nhau, nên nó có thể áp dụng cho bất cứ mạng lưới nào, thậm chí cả mạng chứa các công trình phân dòng thành nhiều dòng phía hạ lưu và các vòng mạng. Đây là phương pháp được lựa chọn để mô phỏng hệ thống chịu ảnh hưởng đáng kể của nước vật do việc chặn dòng chảy phía hạlưu và có sự điều chỉnh dòng chảy thông qua các tràn và các cống. Một vấn đề chung cần quan tâm là, để sự tính toán đạt được mức độ chính xác cần thiết thì cần phải sử dụng các bước thời gian tính toán nhỏhơn nhiều, ở mức khoảng chừng 1 phút hoặc nhỏhơn (SWMM sẽ tựđộng giảm bước thời gian lớn nhất do người sử dụng khai báo khi cần đạt được sựổn định số).
Mỗi trong các phương pháp này đều dùng công thức Manning để lập quan hệ lưu lượng theo độ sâu và độ dốc (hoặc độ nhám) đáy. Trường hợp ngoại lệ là đối với dạng ống tròn có áp, lúc đó có thể thay thế bằng việc sử dụng công thức Hazen- Williams.
f. Sự tạo thành vũng ngập trên bề mặt
Thông thường trong diễn toán dòng chảy, khi dòng chảy vào một nút vượt quá khả năng của hệ thống vận chuyển nước ở phía hạ lưu của nó, phần thể tích vượt quá sẽ chảy tràn ra khỏi hệ thống và bị mất đi. Có một lựa chọn để làm cho dung tích vượt quá này được trữ lại bên trên nút dưới dạng một "vũng ngập", và dung tích đó sẽ lại được đưa trở vào hệ thống khi khảnăng của hệ thống cho phép.
Khi diễn toán dòng chảy đều và dòng chảy sóng động học thì nước của vũng ngập được trữ chỉ đơn giản là thểtích nước vượt quá. Đối với dòng chảy sóng động lực học chịu ảnh hưởng bởi các độ sâu nước duy trì tại các nút, thểtích nước vượt quá được giảđịnh tạo thành vũng ngập bên trên nút với diện tích bề mặt không đổi. Diện tích bề mặt này là một thông sốđầu vào cung cấp cho một nút.
Như là một tùy chọn, người sử dụng có thể muốn biểu diễn hệ thống chảy tràn trên bề mặt một cách rõ ràng. Trong hệ thống kênh hở điều này có thể bao gồm sự chảy tràn trên đường tại các cầu hoặc các điểm giao cắt với ống ngầm cũng như với các diện tích trữ nước của vùng đồng trũng thêm vào. Trong các hệ thống đường dẫn kín, dòng chảy tràn trên bề mặt có thể được chuyển xuống các đường phố bên dưới, các thung lũng, hoặc các tuyến khác trên mặt đất đến cửa nhận nước mưa hoặc kênh hở có thể tiếp theo. Dòng chảy tràn cũng có thể được lưu giữ trong các chỗtrũng trên bềnhư là các bãi đỗxe, sân đua hoặc các diện tích khác.
g. Dòng chảy chất lượng nước
Ngoài việc mô phỏng thủy lực, SWMM còn có khảnăng biểu diễn chất lượng nước trong phạm vi một đường ống hoặc kênh với giả thiết rằng đường ống hoặc kênh được xem như là bể phản ứng khuấy trộn liên tục.
Dòng chảy tuyến chất lượng nước (Water Quality Routing) bên trong các đường nối cho rằng, đường dẫn xử lý như một bể phản ứng khuấy trộn liên tục
(continuously stirred tank reactor - CSTR), mặc dù giả định bể phản ứng theo kiểu dòng "đẩy" có thể là thực tế hơn. Sai số sẽ nhỏ đi nếu thời gian di chuyển qua đường dẫn cùng bậc với bước thời gian dòng chảy. Nồng độ của một chất tồn tại trong đường dẫn tại thời điểm cuối của bước thời gian được tìm ra qua việc tích hợp phương trình bảo toàn khối lượng, sử dụng các giá trị trung bình cho các con số có thểthay đổi theo bước thời gian như lưu lượng và thể tích của đường dẫn.
Mô hình chất lượng nước trong các nút công trình trữ nước cũng tuân theo cùng một cách tiếp cận như đối với các đường dẫn. Đối với các loại khác của nút không có thể tích, chất lượng nước tồn tại trong nút chỉ đơn giản là sự pha trộn nồng độ của tất cả dòng chảy đi vào nút.
Qua phân tích sơ bộ về phương pháp tính toán, mô hình tính toán tiêu thoát nước, với thời gian nghiên cứu, viết luận văn có hạn nên tác giả lựa chọn mô hình SWMM đểtính toán thoát nước cho khu vực, phù hợp với tài liệu thu thập được.