5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.5. MÔ HÌNH EPA SWMM
Mô hình quản lý nước mưa SWMM (Storm Water Management Model) là một mô hình mô phỏng động lực học dòng chảy nước mưa, thường được sử dụng cho những mô phỏng đơn lẻ hoặc dài hạn về số lượng và chất lượng dòng chảy cho những khu vực mà diện tích đô thị là chủ yếu. Thành phần dòng chảy mặt trong SWMM là kết quả của việc thu gom nước từ các bề mặt hứng nước (Subcatchment),
đó là nơi nhận lượng mưa, hình thành dòng chảy và tải lượng ô nhiễm. Thành phần truyền tải của SWMM vận chuyển dòng chảy này thông qua một hệ thống những đường ống, kênh mương, thiết bị trữ nước xử lý, bơm và công trình điều tiết. SWMM theo dõi số lượng và chất lượng của dòng chảy sinh ra trong phạm vi mỗi lưu vực thu nước, và theo dõi mức độ lưu lượng, độ sâu dòng chảy và chất lượng nước trong mỗi ống hoặc kênh trong suốt thời đoạn mô phỏng (bao gồm rất nhiều các bước thời gian).
2.5.2. Cấu trúc của mô hình
SWMM quan niệm một hệ thống tiêu là sự nối tiếp của nước và các dòng vật chất giữa một số gian môi trường. Các gian môi trường và các đối tượng của SWMM bao gồm:
- Gian không khí là nơi mà mưa rơi và chất ô nhiễm được tích luỹ vào gian mặt đất. SWMM dùng đối tượng Rain gage để thể hiện lượng mưa nhập vào hệ thống.
- Gian mặt đất được biểu thị bằng một hay nhiều đối tượng Subcathment.
Nó nhận mưa từ gian không khí sau đó một phần lượng mưa thấm xuống gian nước ngầm, phần dòng chảy mặt và tải lượng ô nhiễm được đưa vào gian vận chuyển.
- Gian nước ngầm nhận lưu lượng thấm từ gian mặt đất và chuyển một phần dòng thấm này vào gian vận chuyển. Gian nước ngầm được mô phỏng bởi đối tượng Aqifer.
- Gian vận chuyển bao gồm một mạng lưới các đối tượng vận chuyển ( kênh dẫn, đường ống, bơm, các công trình điều tiết) và các bộ phận trữ nước/xử lý, chúng đưa nước tới cửa ra hoặc tới công trình xử lý. Dòng chảy vào gian này có thể đến từ dòng chảy mặt, dòng chảy nước ngầm, dòng chảy vệ sinh khi thời tiết khô, hoặc dòng chảy vào do người sử dụng quy định. Những thành phần của gian vận chuyển được mô phỏng bởi các đối tượng Node và Link.
Hình 2.6 Các thành phần của hệ thống mô phỏng bởi SWMM
2.5.2.1. Subcatchment
Subcatchment là một thành phần của hệ thống tiêu. Chia diện tích vùng nghiên cứu thành một số lượng thích hợp các Subcatchment và xác định điểm nước ra cho mỗi Subcatchment. Điểm nước ra của mỗi Subcatchment phải là một nút của hệ thống tiêu hoặc một Subcatchment khác.
Subcatchment có thể được chia thành vùng thấm và vùng không thấm. Dòng chảy mặt có thể thấm vào lớp đất phía trên của vùng diện tích thấm. Phần diện tích không thấm được chia thành 2 vùng: 1 vùng có thể trữ nước, vùng còn lại thì không. Dòng chảy mặt từ vùng này có thể chảy đến vùng còn lại của Subcatchment hoặc dòng chảy từ cả 2 vùng đều chảy đến điểm nước ra của Subcatchment.
Quá trình thấm của nước mưa vào lớp đất chưa bão hoà ở vùng thấm nước của một Subcatchment có thể sử dụng 3 mô hình thấm: Horton; Green-Ampt; Đường cong SCS.
Trên mỗi Subcatchment, SWMM cũng có thể mô phỏng quá trình tích luỹ, phân phối lại và tan của tuyết, dòng chảy nước ngầm giữa tầng ngậm nước bên dưới Subcatchment với một nút của hệ thống tiêu, quá trình tích lũy và rửa trôi các chất ô nhiễm. Để mô phỏng các quá trình này phải khai báo các thông số vào các mục Snow pack, Ground water, Land use của mỗi Subcatchment.
2.5.2.2. Junction Nodes
Junction là các nút của hệ thống tiêu có nhiệm vụ nối các Link với nhau. Các nút có thể là nơi gặp nhau của các kênh, các giếng thăm trong hệ thống thoát nước, hoặc những vị trí nối đường ống. Những dòng chảy bên ngoài có thể vào hệ thống tiêu ở các nút. Khi các kênh/đường ống làm việc quá tải thì có thể xảy ra hiện tượng ứ nước ở các nút. Lượng nước thừa này có thể chảy ra khỏi hệ thống thoát nước hoặc cho phép hình thành một ao ở trên đỉnh của nút và sau đó lượng nước đó lại chảy trở lại vào trong nút.
2.5.2.3. Outfall Nodes
Outfalls là những nút cuối cùng của hệ thống tiêu, thường được định nghĩa là điều kiện biên dưới của diễn toán dòng chảy sóng động lực học. Đối với những cách diễn toán dòng chảy khác thì nó được xem như là một nút. Chí có một link có thể được nối tới nút Outfall.
2.5.2.4. Flow Divider Nodes
Flow Dividers là những nút của hệ thống tiêu, nó có chức năng hướng những dòng chảy vào của nút đến kênh dẫn/đường ống ra khỏi nút theo một cách xác định.
Một Flow divider có không nhiều hơn hai conduit (kênh/đường ống) đi ra khỏi nó. Flow dividers chỉ hoạt động khi diễn toán dòng chảy theo mô hình sóng động học, còn khi diễn toán dòng chảy theo mô hình sóng động lực học thì nó được xem đơn giản như là một nút.
Theo cách thay đổi dòng chảy thì flow dividers được chia thành 4 loại: Cutoff Divider; Overflow Divider; Tabular Divider; Weir Divider.
2.5.2.5. Storage Units
Storage Units là những nút của hệ thống tiêu, chúng thực hiện chức năng trữ nước. Khả năng trữ của một Storage Unit có thể nhỏ như là một tiểu lưu vực hoặc lớn như là một hồ. Thuộc tính trữ nước của một Storage Unit có thể được mô tả như là một hàm của diện tích bề mặt và độ sâu.
2.5.2.6. Conduits
từ một nút này tới một nút khác trong hệ thống vận chuyển. Hình dạng mặt cắt ngang của chúng có thể có dạng hình học kín, hở theo tiêu chuẩn hoặc ở dạng tự nhiên.
SWMM sử dụng công thức Manning để biểu diễn mối quan hệ giữa lưu lượng (Q), diện tích mặt cắt ngang (A), và bán kính thuỷ lực (R) trong kênh hở và đường ống kín chảy không đầy. Công thức có dạng:
S AR n 1
Q = 23 (2-30)
Trong đó n là hệ số nhám Manning. Đối với dòng chảy đều và diện toán dòng chảy theo mô hình động học thì S được hiểu như là độ dốc của đường ống, khi diễn toán dòng chảy động lực học thì S là độ dốc thuỷ lực (tổn thất cột nước trên một đơn vị diện tích)
2.5.2.7. Pumps
Pumps nối hai nút của hệ thống tiêu với nhau, nó có nhiệm vụ đưa nước từ vị trí thấp đến vị trí cao hơn. Đặc tính làm việc của bơm được xác định dựa vào Pump curve, nó mô tả mối quan hệ giữa lưu lượng bơm và các điều kiện ở nút vào và nút ra của nó. Có 4 kiểu đường Pump curve. Trạng thái làm việc của Pump được người sử dụng lập trình trong Control rule.
2.5.2.8. Flow Regulators
Flow Regulator là các công trình hoặc thiết bị được sử dụng để điều tiết dòng chảy trong hệ thống vận chuyển nước. Chúng thường được sử dụng để điều chỉnh việc xả nước khỏi các công trình trữ nước; ngăn cản việc xả nước không hợp lý; hướng dòng chảy đến các công trình xử lý.
SWMM có thể mô phỏng công trình điều tiết dòng chảy bằng các công trình: Orifice, Weir, Outlet.
2.5.3. Phương pháp tính toán của mô hình
SWMM là mô hình mô phỏng các quá trình theo các bước thời gian rời rạc. Nó tuân theo các định luật bảo toàn khối lượng, năng lượng, động lượng mỗi khi thích hợp. SWMM 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;Tyết tan; Diễn toán dòng chảy; Ao nước mặt; Diễn toán chất lượng nước.
2.5.3.1. Dòng chảy mặt
Mỗi Subcatchment được xem như là một hồ chứa phi tuyến (xem hình 2.8). Dòng chảy vào Subcatchment bao gồm mưa và dòng chảy từ Subcatchment phía trên đã được xác định. Dòng chảy ra khỏi Subcatchment bào 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 chiều sâu nước trong “hồ chứa” vượt quá chiều sâu trữ nước dp.
Hình 2.7 Mô hình hồ chứa phi tuyến của Subcatchment
Lưu lượng ra của mỗi Subcathment được xác định bằng công thức sau: 3 5 p 2 1 ) d d .( S . n 1 B. Q= − (2-31) Trong đó:
Q - Lưu lượng dòng chảy sinh ra ở cửa ra của mỗi Subcatchment, m3/s; B - Chiều rộng của subcatchment, m;
S - Độ dốc của sườn lưu vực, %;
d- Độ sâu lớp nước hình thành trên subcatchment, m. Chiều sâu nước d biến đổi liên tục theo thời gian t(s) và được xác định bằng việc giải phương trình cân
dp - Độ sâu lớp nước điền trũng trên subcatchment, m.
Quá trình thấm nước mưa vào vùng đất chưa bão hoà nằm dưới phần diện tích thấm nước của Subcatchment được SWMM mô tả theo 3 cách: Phương trình Horton; Phương pháp Green-Ampt; Phương pháp đường cong số.
2.5.3.2. Nước ngầm
Hình 2.8 thể hiện mô hình nước ngầm 2 lớp được sử dụng trong mô hình SWMM. Vùng đất phía trên chưa bão hoà với độ ẩm là θ. Vùng đất phía dưới đã bão hoà hoàn toàn.
Hình 2.8 Mô hình nước ngầm 2 vùng
Các dòng trong hình vẽ 2.9 bao gồm: fI - Lượng nước thấm từ mặt;
fEU - Lượng bốc hơi từ lớp đất phía trên;
fU - Lượng nước thấm từ lớp đất phía trên xuống lớp đất phía dưới, nó phụ thuộc vào θ và chiều sâu dU;
fEL - Lượng bốc hơi từ lớp đất phía dưới, nó 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, nó phụ thuộc vào chiều sâu dL;
fG - Lượng nước ngầm ở bên chảy vào hệ thống tiêu, nó phụ thuộc vào chiều sâu lớp đất thấp hơn dL và chiều sâu của kênh nhận nước.
Sau khi tính toán những dòng nước tồn tại trong thời đoạn đang xét, viết phương trình cân bằng nước xác định sự thay đổi thể tích nước được trữ trong mỗi
lớp đất để chiều sâu mực nước ngầm mới và độ ẩm của lớp đất chưa bão hoà nước được tính cho thời đoạn tiếp theo.
2.5.3.3. Tuyết tan
Diễn toán tuyết tan là một phần của quá trình mô phỏng dòng chảy. Lượng tuyết tan được xem như là lượng mưa thêm vào trong Subcatchment.
2.5.3.4. Diễn toán dòng chảy
Diễn toán dòng chảy trong phạm vi một đường ống/kênh trong SWMM 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). Người sử dụng SWMM 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 đều trình bày cách diễn toán dòng chảy đơn giản nhất bằng cách giả thiết rằng trong mỗi bước thời gian tính toán dòng chảy không ổn định và đều. Công thức Manning được sử dụng để thể hiện mối quan hệ giữa lưu lượng và diện tích mặt cắt ướt.
Diễn toán dòng chảy đều không thể tính trữ nước trên kênh, nước vật, tổn thất ở cửa vào, cửa ra, dòng chảy có độ dốc ngược, dòng chảy có áp. Nó chỉ được sử dụng với mạng lưới vận chuyển hình cây. Hình thức diễn toán dòng chảy này không nhạy cảm với cách chọn bước thời gian và thực sự thích hợp cho việc phân tích sơ bộ với thời đoạn dài.
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.
2.5.3.5. Sự hình thành ao nước mặt
Thông thường trong diễn toán dòng chảy, khi dòng chảy vào một nút vượt quá khả năng của hệ thống vận chuyển nó về phía hạ lưu. Phần thể tích vượt quá chảy tràn ra khỏi hệ thống và bị tổn thất. Ao là phần diện tích ở trên đỉnh của nút để trữ lại phần diện tích vượt quá đó, và khi khả năng của hệ thống có thể thì phần thể tích vượt quá đó lại quay trở lại hệ thống. Khi diễn toán dòng chảy đều và diễn toán dòng chảy sóng động học thì nước ao được trữ chỉ đơn giản là phần thể tích nước
vượt quá. Đối với diễn toán sóng động lực học thì phần thể tích nước vượt quá được giả thiết hình thành ao ở phía trên nút với diện tích bề mặt không thay đổi. Lượng diện tích bề mặt này là một thông số đầu vào cung cấp cho một nút.
2.5.3.6. Diễn toán chất lượng nước
Diễn toán chất lượng nước trong phạm vi một đường ống/kênh giả thiết rằng đường ống/kênh được xem như là bể phản ứng khuấy trộn liên tục.
2.5.4. Các ứng dụng điển hình của SWMM
Kể từ khi xuất hiện, SWMM đã được sử dụng trong nhiều trong 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