Nghiên cứu cải tạo và nâng cấp hệ thống thoát nước bền vững thành phố Đông Hà, tỉnh Quảng Trị

CAM KẾT
Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn là do tôi làm. Những kết
quả nghiên cứu, thí nghiệm không sao chép từ bất kỳ nguồn thông tin nào khác. Nếu
vi phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm, chịu bất kỳ các hình thức kỷ luật nào
của Nhà trường.
Tác giả


Lê Đắc Vĩnh





MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU 1

I. Sự cần thiết của đề tài 1
II. Mục tiêu nghiên cứu 2
III. Nội dung nghiên cứu 2
IV. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3
V. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3
VI. Kết quả dự kiến đạt được 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC
ĐÔ THỊ 4

1.1. Giới thiệu chung về hệ thống thoát nước đô thị 4
1.1.1. Khái niệm về hệ thống thoát nước đô thị 4

1.1.2. Vai trò của hệ thống thoát nước đối với sự phát triển của đô thị 4
1.1.3. Yêu cầu đặt ra cho hệ thống thoát nước đô thị 5
1.2. Các nguyên tắc về mạng lưới thoát nước đô thị 5
1.2.1. Nguyên tắc vạch tuyến mạng lưới 5
1.2.2. Nguyên tắc đặt đường ống thoát nước 5
1.2.3. Lựa chọn vật liệu đường ống, mối nối 6
1.2.4. Độ sâu chôn cống và độ dốc đường ống 6
1.3. Đô thị hóa và vấn đề thoát nước đô thị 6
1.3.1. Khái niệm thủy văn đô thị 6
1.3.2. Đô thị và quá trình đô thị hóa 6
1.3.3. Lưu vực đô thị với vấn đề tiêu thoát nước 7
1.3.4. Khái niệm về dòng chảy đô thị 7
1.4. Các nghiên cứu về giải pháp cho hệ thống thoát nước đô thị 8
1.4.1. Nghiên cứu về thoát nước đô thị trên thế giới 8





1.4.2. Nghiên cứu về thoát nước đô thị ở Việt Nam 9
1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 11
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN HỆ THỐNG THOÁT
NƯỚC MƯA ĐÔ THỊ 12

2.1. Mưa và mưa thiết kế 12
2.1.1. Đặc trưng của mưa thiết kế 12
2.1.2. Các bước thực hiện khi thiết kế hệ thống thoát nước mưa 13
2.1.3. Quan hệ giữa độ sâu mưa - thời gian mưa - tần suất 13
2.1.4. Quan hệ cường độ mưa - thời gian mưa - tần suất 14
2.1.5. Xác định mô hình mưa thiết kế 15

2.2. Mô hình tính toán, mô phỏng hệ thống thoát nước 18
2.2.1. Giới thiệu mô hình SWMM 19
2.2.2. Các khả năng của mô hình SWMM 19
2.2.3. Các ứng dụng của mô hình 20
2.2.4. Dữ liệu đầu vào 21
2.2.5. Phương pháp tính toán 21
2.3. Phương pháp tính toán thoát nước mưa theo cường độ giới hạn 29
2.3.1. Xác định lưu lượng mưa tính toán 29
2.3.2. Chu kỳ tràn cống 30
2.3.3. Xác định cường độ mưa tính toán 30
2.3.4. Xác định thời gian mưa tính toán 30
2.3.5. Xác định hệ số dòng chảy 31
2.4. Kết luận chương 2 32





CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG
THOÁT NƯỚC HIỆN TẠI CỦA THÀNH PHỐ ĐÔNG HÀ, TỈNH QUẢNG
TRỊ 33

3.1. Tổng quan về khu vực nghiên cứu 33
3.1.1. Điều kiện tự nhiên 33
3.1.2. Điều kiện kinh tế xã hội 37
3.2. Thực trạng thoát nước của thành phố Đông Hà 38
3.2.1. Thoát nước mưa 38
3.2.2. Nước thải sinh hoạt 38
3.2.3. Đánh giá hiện trạng thoát nước của khu vực 39
3.3. Đánh giá hiện trạng hệ thống kỹ thuật hạ tầng thành phố đông hà 39

3.3.1. Cơ sở hạ tầng nói chung 39
3.3.2. Thoát nước mặt và tình hình ngập úng 40
3.3.2. Thoát nước thải và vệ sinh môi trường 41
3.4. Định hướng quy hoạch kết cấu hạ tầng thành phố Đông Hà đến năm 2025 41
3.4.1. Kết cấu hạ tầng nói chung 41
3.4.2. Thoát nước mặt 41
3.4.3. Thoát nước thải 42
3.5. Tính toán yêu cầu thoát nước của khu vực thời điểm hiện tại 42
3.5.1. Khu vực tính toán thoát nước 42
3.5.2. Xây dựng đường tần suất mưa 44
3.5.3. Xây dựng mô hình mưa thiết kế 46
3.5.4. Mô phỏng hệ thống thoát nước bằng mô hình SWMM 50
3.6. Đánh giá khả năng làm việc của mạng lưới thoát nước hiện tại 57
3.7. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thoát nước của khu vực 64





3.7.1. Yếu tố khách quan 64
3.7.2. Yếu tố chủ quan 65
3.8. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 66
CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN VÀ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP CẢI TẠO,
NÂNG CẤP HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC THÀNH PHỐ ĐÔNG HÀ, TỈNH
QUẢNG TRỊ 67

4.1. Tính toán hệ thống thoát nước bằng phương pháp cường độ giới hạn 67
4.1.1. Xác định các thông số tính toán 67
4.1.2. Tính toán thủy lực theo phương pháp cường độ giới hạn 69
4.1.3. Kết quả tính toán theo phương pháp cường độ giới hạn 69

4.2. Tính toán và mô phỏng theo mô hình SWMM 73
4.3. Lựa chọn phương án cải tạo, nâng cấp hệ thống thoát nước 79
4.4. Giải pháp quy hoạch hệ thống thoát nước bền vững 83
4.5. Giải pháp tổ chức, quản lý vận hành và nâng cấp hệ thống thoát nước 86
4.5.1. Giải pháp tổ chức 86
4.5.2. Giải pháp quản lý vận hành hệ thống thoát nước 87
4.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 87
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 91
PHỤ LỤC






DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Mối quan hệ IDF 15
Hình 2.2: Mô hình mưa thiết kế xây dựng theo phương pháp khối xen kẽ 17
Hình 2.3: Mô hình mưa thiết kế xây dựng theo phương pháp tam giác 17
Hình 2.4: Quan niệm về dòng chảy mặt 22
Hình 2.5: Mô hình nước ngầm hai vùng 23
Hình 3.1: Vị trí thành phố Đông Hà trên bản đồ tỉnh Quảng Trị 34
Hình 3.2: Vị trí khu vực nghiên cứu trên bản đồ thành phố Đông Hà 43
Hình 3.3: Bản đồ khu vực nghiên cứu thoát nước 44
Hình 3.4: Đường tần suất lượng mưa 1 ngày max – trạm Đông Hà 47
Hình 3.5: Đường tần suất lượng mưa 3 ngày max – trạm Đông Hà 48
Hình 3.6: Mô hình mưa thiết kế với trận mưa 72h max 50
Hình 3.7: Giao diện khai báo các thông số mặc định và các tùy chọn 54
Hình 3.8: Giao diện khai báo các thông số cơ bản trong SWMM 55

Hình 3.9: Sơ đồ mô phỏng hệ thống thoát nước khu vực trong mô hình SWMM 56
Hình 3.10: Đường quan hệ về lưu lượng của lưu vực ứng với trận mưa 72h max 57
Hình 3.11: Bản đồ vị trí các nút ngập ứng với trận mưa 72h max 58
Hình 3.12: Mô phỏng diễn biến dòng chảy tuyến 1 từ nút A1 đến nút CX1 61
Hình 3.13: Mô phỏng diễn biến dòng chảy tuyến 2 từ nút B2 đến nút B9 61
Hình 3.14: Mô phỏng diễn biến dòng chảy tuyến 6 từ nút D3 đến nút CX2 62
Hình 3.15: Mô phỏng diễn biến dòng chảy tuyến 11 từ nút F5 đến nút F7 62
Hình 3.16: Mô phỏng diễn biến dòng chảy tuyến 8-11 từ nút E4 đến nút F8 63
Hình 3.17: Mô phỏng diễn biến dòng chảy tuyến 9-11 từ nút E6 đến nút F8 63
Hình 4.1: Đường quan hệ lưu lượng với trận mưa 72h max kiểm định hệ thống 75
Hình 4.2: Mô phỏng diễn biến dòng chảy tuyến 1 từ nút A1 đến nút CX1 76





Hình 4.3: Mô phỏng diễn biến dòng chảy tuyến 2 từ nút B2 đến nút B9 77
Hình 4.4: Mô phỏng diễn biến dòng chảy tuyến 6 từ nút D3 đến nút CX2 77
Hình 4.5: Mô phỏng diễn biến dòng chảy tuyến 11 từ nút F5 đến nút F7 78
Hình 4.6: Mô phỏng diễn biến dòng chảy tuyến 8-11 từ nút E4 đến nút F8 78
Hình 4.7: Mô phỏng diễn biến dòng chảy tuyến 9-11 từ nút E6 đến nút F8 79






DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Giá trị tham số của đường DDF 14
Bảng 3.1: Thống kê lượng mưa 1 ngày max và 3 ngày max – trạm Đông Hà 44

Bảng 3.2: Tần suất lượng mưa 1 ngày max – trạm Đông Hà 45
Bảng 3.3: Tần suất lượng mưa 3 ngày max – trạm Đông Hà 45
Bảng 3.4: Quan hệ lượng mưa – thời gian theo tần suất mưa 10% 49
Bảng 3.5: Bảng thống kê diện tích các tiểu khu 52
Bảng 3.6: Bảng thống kê tuyến cống hiện trạng 53
Bảng 3.7: Bảng kết quả các nút ngập 59
Bảng 3.8: Bảng thống kê thời gian ngập đầy các đoạn cống 60
Bảng 4.1: Các thông số khí hậu cho tỉnh Quảng Trị 68
Bảng 4.2: Hệ số dòng chảy 68
Bảng 4.3: Thống kê tuyến cống ngập theo phương pháp cường độ giới hạn 70
Bảng 4.4: Tổng hợp chiều dài các tuyến cống làm lại theo phương pháp cường độ
giới hạn 72

Bảng 4.5: Bảng thống kê tuyến cống ngập và đề xuất cải tạo nâng cấp 73
Bảng 4.6: Tổng hợp chiều dài các tuyến cống làm lại theo mô hình SWMM 75
Bảng 4.7: So sánh kết quả của phương pháp cường độ giới hạn và SWMM 80
Bảng 4.8: So sánh tổng chiều dài cống cần thay theo phương pháp cường độ giới
hạn và SWMM 82




1


PHẦN MỞ ĐẦU
I. SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Thoát nước và xử lý nước thải, vệ sinh môi trường là những nội dung quan
trọng trong quy hoạch, xây dựng và quản lý đô thị. Tại các khu vực đang đối mặt
với tình trạng hạ tầng kém phát triển, môi trường bị ô nhiễm do nước thải, tình hình

ngập úng diễn ra thường xuyên, gây ảnh hưởng đến hoạt động của đô thị thì người
ta lại càng thấy tầm quan trọng của lĩnh vực này.
Những hệ thống thoát nước trong đô thị nước ta hiện nay đang thể hiện nhiều
vấn đề bất cập gây lãng phí về kinh tế, khó khăn về công tác quản lý vận hành, cũng
như ảnh hưởng xấu tới môi trường sinh thái; một số biểu hiện cụ thể như: hệ thống
hạ tầng kỹ thuật nói chung chưa hoàn thiện, mạng lưới thu dẫn nước mưa và nước
thải sinh hoạt chưa phát huy hết tác dụng, nhiều khu vực đường ống không có nước
chảy qua, cũng có khá nhiều nơi bị ngập úng khi xảy ra mưa lớn, tỷ lệ rò rỉ nước và
thấm vào đất còn khá cao gây mùi hôi thối, ảnh hưởng mỹ quan đô thị, một số công
trình được xây dựng nhưng không thể đi vào hoạt động, nhiều khu vực hệ thống thu
gom nước đã xuống cấp không còn khả năng hoạt động, tình trạng nước thải không
qua xử lý đổ trực tiếp ra sông hồ còn rất phổ biến… Ngoài ra, do tình hình diễn biến
phức tạp của thời tiết hiện nay, lượng mưa bão đổ bộ vào đất liền nước ta ngày càng
nhiều cũng gây ảnh hưởng rất lớn đến khả năng thu gom và tiêu thoát nước của đô
thị, đặc biệt là các đô thị đang có hệ thống thoát nước chưa hoàn thiện.
Đối với các khu đô thị, các điểm dân cư mới, chất lượng hệ thống hạ tầng kỹ
thuật, trong đó có thoát nước mưa, nước thải, cũng có đa phần quyết định tính văn
minh đô thị, góp phần tạo hấp dẫn đối với khách hàng, cũng như quyết định đến sự
phát triển bền vững về môi trường của đô thị về lâu dài. Vì vậy cần phải đưa ra các
giải pháp cụ thể, phải có các giải pháp đồng bộ về các vấn đề hạ tầng kỹ thuật và
mang tính khả thi cao để khắc phục được những nhược điểm còn tồn tại nêu trên, đó
là các giải pháp về chuẩn bị kỹ thuật, quy hoạch hạ tầng kỹ thuật, tính toán cải tạo


2


nâng cấp hệ thống hạ tầng nói chung và hệ thống thoát nước nói riêng của các đô
thị, hướng đến bảo vệ môi trường cũng như sử dụng nguồn vốn đầu tư một cách
hiệu quả nhất. Các giải pháp phải được xây dựng trên cơ sở dự báo ngắn và dài hạn

về phát triển đô thị, phù hợp với điều kiện kinh tế xã hội của địa phương trong hiện
tại và tương lai.
Đông Hà là thành phố trực thuộc tỉnh Quảng Trị, với hệ thống cơ sở hạ tầng
phát triển chưa hoàn toàn đồng bộ và bộ máy quản lý còn non trẻ, hiện cũng đang
gặp phải những vấn đề khó khăn như các đô thị khác trong nước, đặc biệt là hệ
thống thoát nước của thành phố đang tồn tại nhiều tiêu cực gây ảnh hưởng không
nhỏ đến đời sống người dân cũng như mỹ quan, môi trường của đô thị. Vậy nên cần
xem xét, nghiên cứu tính toán thiết kế cải tạo hệ thống thoát nước của khu vực để
đảm bảo khả năng thoát nước, không gây ô nhiễm môi trường, góp phần phát triển
đô thị một cách bền vững.
Chính vì vậy, đề tài nghiên cứu "Nghiên cứu cải tạo và nâng cấp hệ thống
thoát nước bền vững thành phố Đông Hà, tỉnh Quảng Trị " là rất cần thiết và mang
tính thực tiễn hiện nay.
II. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu các bài toán và đưa ra giải pháp nâng cao hiệu quả cho hệ thống
thoát nước thành phố, đảm bảo chức năng thoát nước của hệ thống.
- Đề xuất giải pháp thoát nước mang tính bền vững cho thành phố.
III. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Thu thập tài liệu và đánh giá khả năng làm việc của hệ thống thoát nước của
thành phố.
- Phân tích, tính toán các bài toán về hệ thống thoát nước dựa trên cơ sở khoa
học và thực tiễn, nâng cao khả năng phục vụ của hệ thống hạ tầng kỹ thuật
của thành phố.


3


- Phân tích và lựa chọn các giải pháp cụ thể nhằm khắc phục và nâng cao tính
hiệu quả của hệ thống thoát nước thành phố.

IV. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống thoát nước của thành phố Đông Hà.
- Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống thoát nước chính, các công trình quan trọng
trong hệ thống thoát nước thành phố Đông Hà.
V. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
+ Cách tiếp cận:
- Theo quan điểm hệ thống.
- Theo quan điểm thực tiễn và tổng hợp đa mục tiêu.
- Theo quan điểm bền vững.
+ Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp thu thập số liệu.
- Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa.
- Phương pháp kế thừa các đề tài và nghiên cứu về giải pháp thoát nước cho
các đô thị Việt Nam.
- Phương pháp tính toán tối ưu hóa hệ thống thoát nước đô thị.
- Phương pháp thống kê và xử lý dữ liệu.
- Phương pháp mô hình toán (sử dụng phần mềm SWMM)
VI. KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC
+ Đánh giá hiệu quả tiêu thoát nước hiện tại của hệ thống thoát nước thành phố
Đông Hà.
+ Kiến nghị về các giải pháp nâng cao khả năng phục vụ của hệ thống thoát
nước thành phố Đông Hà. Tạo tiền đề cho việc mở rộng hệ thống thoát nước về sau.


4


CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ

1.1.1. Khái niệm về hệ thống thoát nước đô thị
Hệ thống thoát nước đô thị là tổ hợp những công trình, thiết bị và các giải pháp
kỹ thuật để thực hiện nhiệm vụ thoát nước cho đô thị.
Các hệ thống thoát nước đô thị:
+ Hệ thống thoát nước chung: Là hệ thống mà tất cả các loại nước thải (sinh
hoạt, sản xuất, nước mưa) được xả chung vào một mạng lưới và dẫn đến công trình
làm sạch.
+ Hệ thống thoát nước riêng: là hệ thống có hai hay nhiều mạng lưới đường
ống riêng để dẫn từng loại nước thải khác nhau đến công trình làm sạch. Theo cấu
tạo hệ thống thoát nước riêng có thể phân thành các loại sau: Hệ thống riêng hoàn
toàn; Hệ thống riêng không hoàn toàn; Hệ thống riêng một nửa.
+ Hệ thống thoát nước hỗn hợp: Là tổng hợp của các hệ thống trên. Hệ thống
này thường gặp ở các thành phố lớn, đã có hệ thống thoát nước chung nay cần cải
tạo và mở rộng thì phải xây thêm các công trình phục vụ cho mạng lưới thoát nước.
1.1.2. Vai trò của hệ thống thoát nước đối với sự phát triển của đô thị
Một đô thị hiện đại là đô thị phải có hệ thống cơ sở hạ tầng đáp ứng được nhu
cầu phát triển của đô thị đó, và hệ thống thoát nước đóng một vai trò rất quan trọng
trong toàn bộ hệ thống cơ sở hạ tầng kỹ thuật đó. Đối với những đô thị có địa hình
phức tạp, khả năng tiêu thoát nước tự chảy kém thì vai trò của nó lại càng được đẩy
lên cao hơn.
Với tốc độ đô thị hóa ngày càng cao trên nền của hệ thống hạ tầng xây dựng
không đồng bộ, còn nhiều chắp vá thì tất yếu sẽ dẫn đến khả năng đáp ứng nhu cầu


5


thoát nước của hệ thống cho đô thị ngày càng bị giảm sút. Và đến đây, người ta phải
tìm cách nâng cấp cải tạo lại hệ thống nhằm khắc phục những hạn chế hiện có để
đảm bảo yêu cầu thoát nước.

1.1.3. Yêu cầu đặt ra cho hệ thống thoát nước đô thị
Hệ thống thoát nước của đô thị phải đảm bảo được khả năng phục vụ tiêu thoát
nước nhanh chóng trong mọi điều kiện thời tiết, không để cho bất cứ khu vực nào
của đô thị bị ngập úng, cũng như không làm ảnh hưởng xấu đến môi trường và cảnh
quan của đô thị.
Ngoài ra, hệ thống phải đảm bảo yêu cầu về kinh tế, không gây lãng phí đầu tư
cũng như yêu cầu về công tác quản lý vận hành.
1.2. CÁC NGUYÊN TẮC VỀ MẠNG LƯỚI THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ
1.2.1. Nguyên tắc vạch tuyến mạng lưới
+ Nguyên tắc tự chảy. Dựa theo địa hình, trường hợp cần thiết mới xây trạm bơm.
+ Vạch tuyến theo đường ngắn nhất mà diện tích phục vụ lớn nhất.
+ Giảm thiểu các công trình giao tiếp (với đường xá, sông hồ, công trình ngầm…)
+ Bố trí cống dọc theo đường phố, trong vỉa hè hay dọc theo mép đường hoặc
có thể bố trí chung trong đường hầm kỹ thuật. Khoảng cách bố trí với các công trình
phải đảm bảo an toàn theo quy định.
+ Đường ống góp chính phải đổ về công trình làm sạch và cửa xả nước vào nguồn.
1.2.2. Nguyên tắc đặt đường ống thoát nước
+ Các đoạn ống nằm ngoài phố bao bọc xung quanh tất cả các mặt, phần lưu
lượng do diện tích nghiêng về phía nào thì đoạn ống nằm ở phía đó.
+ Các ống cống đặt ở phần thấp nhất của ô phố.
+ Các ống cống đặt xuyên qua các ô phố, kéo dài và xuyên qua ô phố khác.


6


+ Lợi dụng địa hình để đặt ống theo chiều nước chảy, tránh dùng nhiều trạm
bơm chuyển tiếp.
1.2.3. Lựa chọn vật liệu đường ống, mối nối
+ Các loại vật liệu dùng xây dựng mạng lưới thoát nước: chắc, không thấm

nước, bền để chống ăn mòn và sự mài mòn, trơn để giảm sức cản thủy lực và giá
thành rẻ.
+ Các loại vật liệu như: Ống sành, ống bê tông – bê tông cốt thép, ống
phibrôximăng, ống gang, thép.
1.2.4. Độ sâu chôn cống và độ dốc đường ống
+ Độ sâu chôn cống phụ thuộc vào phương pháp thi công, vào vật liệu ống,
điều kiện địa chất, đại chất thủy văn và các điều kiện kinh tế kỹ thuật khác.
+ Độ dốc đường ống chọn trên cơ sở đảm bảo độ dốc tối thiểu, ngoài ra còn
phụ thuộc đường kính ống. Nên bố trí cống dọc theo độ dốc đường để hạn chế chiều
sâu đào cống.
1.3. ĐÔ THỊ HÓA VÀ VẤN ĐỀ THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ
1.3.1. Khái niệm thủy văn đô thị
Thủy văn đô thị là một bộ phận của thủy văn học chuyên nghiên cứu những
quy luật vận động của nước trên các lưu vực đô thị (cả về số lượng và chất lượng).
Trong vấn đề thoát nước, thủy văn đô thị chủ yếu nghiên cứu các quy luật hình
thành dòng chảy từ mưa phục vụ cho tính toán quy hoạch, thiết kế và điều hành các
hệ thống tiêu thoát nước trên các lưu vực đô thị. Để có thể xây dựng được hệ thống
thoát nước đảm bảo yêu cầu thì thủy văn đô thị đóng một vai trò rất quan trọng.
1.3.2. Đô thị và quá trình đô thị hóa
Trong vài thế kỷ gần đây, sản xuất xã hội nói chung, sản xuất công nghiệp nói
riêng được cuộc cánh mạng khoa học kỹ thuật tiếp sức đã làm cho quá trình đô thị
hoá phát triển với tốc độ chưa từng có.


7


Quá trình đô thị hóa phát triển, nhiều quy luật của tự nhiên, môi trường trên
lưu vực đô thị như chu trình khí tượng thủy văn bị biến dạng không ngừng và ngày
càng thêm sâu sắc.

Quá trình đô thị hoá sẽ làm tăng trưởng kinh tế, văn hoá xã hội, khoa học của
một vùng miền, nhưng cũng để lại những tồn tại không tốt có thể ảnh hưởng trực
tiếp tới môi trường sống của vùng đó. Vì vậy, cần phải xem xét nghiên cứu toàn bộ
các khía cạnh và có hệ thống, đặc biệt là các yếu tố về thủy văn, môi trường trước
khi thực hiện đô thị hoá.
1.3.3. Lưu vực đô thị với vấn đề tiêu thoát nước
Lưu vực đô thị là nơi chịu sự tác động rất mạnh mẽ của con người. Những hoạt
động có mục đích của con người đã làm thay đổi sâu sắc chế độ dòng chảy trên các
lưu vực đô thị.
Do yêu cầu tiêu thoát nước đối với đô thị khá cao: thời gian tiêu nhanh, tiêu
trong mọi điều kiện, ở mọi nơi trong thành phố; đảm bảo vệ sinh môi trường, quản
lý hệ thống hợp lý. Vì vậy lượng nước cần tiêu, lượng chất cần xử lý đòi hỏi phải
xác định chuẩn xác đối với mọi vùng trên lưu vực. Vì lý do đó, phương pháp sử
dụng trong các bài toán tiêu nước đô thị phải dựa trên quan điểm hệ thống, toàn thể.
1.3.4. Khái niệm về dòng chảy đô thị
Nước mưa rơi xuống lưu vực, một phần chảy trên mặt đất (dòng chảy mặt),
một phần ngấm xuống đất rồi tập trung thành mạch nước ngầm (dòng chảy ngầm)
chảy vào sông, sau đó chảy qua mặt cắt cửa ra của lưu vực gọi là dòng chảy sông
ngòi.
Theo nguồn gốc của dòng chảy, người ta chia ra dòng chảy mặt và dòng chảy
ngầm. Dòng chảy mặt hình thành trên bề mặt lưu vực sinh ra do mưa hoặc tuyết tan
và tập trung về tuyến cửa ra. Dòng chảy ngầm do nước dưới đất cung cấp.
Với thoát nước đô thị, chủ yếu chỉ nghiên cứu về dòng chảy mặt.


8


1.4. CÁC NGHIÊN CỨU VỀ GIẢI PHÁP CHO HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC
ĐÔ THỊ

1.4.1. Nghiên cứu về thoát nước đô thị trên thế giới
Dân số thế giới sống trong các thành phố lớn ngày càng tăng nhanh. Đáp ứng
nhu cầu đó, diện tích đất đô thị cũng ngày càng gia tăng, trong khi đó cơ sở hạ tầng
về cấp thoát nước cho đô thị không đáp ứng kịp thời. Hiện nay trên thế giới nhiều
thành phố lớn vẫn đang bị úng ngập và lũ lụt đe dọa.
Các chuyên gia về quy hoạch và thoát nước đô thị trên thế giới đã từ hơn 30
năm nhận ra rằng cách tốt nhất để đương đầu với ngập lụt trong đô thị không phải là
xây thêm trạm bơm, đắp thêm đê hay lắp đặt thêm cống mà chúng ta cần thêm
không gian cho nước. Đó là giải pháp bền vững hơn khi không làm biến đổi dòng
chảy đột ngột như xây đập, đắp đê hay tôn nền công trình. Gia tăng không gian cho
mặt nước và cây xanh tự nhiên không chỉ làm giảm nguy cơ ngập lụt mà còn tạo
cảnh quan cho đô thị.
Gần đây Ngân hàng thế giới đã nghiên cứu và đưa ra cuốn cẩm nang “Hướng
dẫn quản lý tổng hợp rủi ro ngập lụt đô thị trong thế kỷ 21”. Theo cẩm nang này,
giải pháp hiệu quả nhất để quản lý nguy cơ lũ lụt là áp dụng phương pháp tiếp cận
tổng hợp, trong đó kết hợp cả hai biện pháp cấu trúc và phi cấu trúc, bao gồm xây
dựng hệ thống kênh thoát nước và dẫn lũ; kết hợp “đô thị xanh” như đất ngập nước
và vùng đệm môi trường; xây dựng hệ thống cảnh báo lũ lụt; quy hoạch sử dụng đất
để chống ngập lụt.
Đại học Quốc gia Singapore (NUS) với ý tưởng nghiên cứu: áp dụng các bề
mặt thẩm thấu cho những con đường nhỏ và vỉa hè nhằm ngăn chặn tình trạng lũ lụt
cục bộ tại đô thị bằng cách làm chậm lại dòng nước đổ vào cống rãnh sau mưa lớn.

Những bề mặt thẩm thấu có một lớp bêtông rỗ và một lớp sỏi. Khoảng 30-40%
khoảng trống giữa lớp bê tông và sỏi này được dùng để tích nước, sau đó nước sẽ
chảy qua một lớp vải thẩm thấu trước khi được xả qua những đường nhỏ đổ vào
cống. Toàn bộ quá trình này có thể giúp trữ số nước mưa đổ xuống trong vài giờ.


9

1.4.2. Nghiên cứu về thoát nước đô thị ở Việt Nam
Nước ta nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa ẩm ướt với lượng mưa trung
bình 1000 - 2000 mm/năm. Lượng mưa tập trung hầu hết vào các tháng mùa mưa
với cường độ mưa lớn và có sự biến động mạng theo không gian, nguyên nhân gây
ra là do bão, áp thấp nhiệt đới, dông…
Cũng như các đô thị khác trên thế giới, các đô thị ở Việt Nam phát triển mạnh,
dân số tăng nhanh; đặc biệt là sau ngày đất nước thống nhất. Nhu cầu về nhà ở của
các thành phố đã trở thành vấn đề lớn của xã hội. Sự cơi nới, mở rộng tự phát, lấn
chiếm đất đai, các hệ thống dẫn nước có nhiều đoạn bị thu hẹp, hồ ao bị san lấp.
Bên cạnh đó, hệ thống tiêu thoát nước đã được xây dựng từ lâu, nhiều đoạn không
còn giá trị sử dụng, quản lý vận hành yếu, thiếu kinh phí tu bổ… làm cho hiện
tượng úng ngập thường xuyên xảy ra khi mùa mưa đến.
Với nhiều thành tựu của công cuộc đổi mới, mạng lưới các đô thị của Việt
Nam đang ngày càng được phát triển mở rộng và thực sự trở thành động lực chính
thúc đẩy phát triển kinh tế. Diện mạo đô thị có nhiều thay đổi theo hướng văn minh,
hiện đại, đã tạo dựng được những không gian đô thị mới, từng bước đáp ứng nhu
cầu về môi trường sống và làm việc có chất lượng. Cũng như các đô thị khác trên
thế giới, sự phát triển đô thị tại Việt Nam cũng đang bộc lộ nhiều hạn chế và yếu
kém về hạ tầng kỹ thuật và ô nhiễm môi trường.
Nhiều công trình hạ tầng kỹ thuật nói chung đang ở tình trạng xuống cấp, việc
đầu tư xây dựng mới còn chậm và chưa đáp ứng nhu cầu. Hệ thống thoát nước của
các đô thị tại Việt Nam thường chung cho tất cả các loại nước thải, nước mưa, hệ
thống này hầu hết được xây dựng qua nhiều thời kỳ khác nhau, chất lượng quy
hoạch còn chưa cao, chưa hoàn chỉnh, thiếu đồng bộ trong đó có nhiều tuyến cống
xuống cấp nên khả năng tiêu thoát nước thấp. Nước thải hầu như chưa được xử lý
xả thẳng vào nguồn tiếp nhận.
Trong những năm gần đây đặc biệt là các đô thị lớn như Hà Nội, thành phố Hồ
Chí Minh, Đà Nẵng, Cần Thơ… người dân luôn phải đối mặt với tình trạng úng

ngập khi gặp những trận mưa lớn, hoặc nước thuỷ triều dâng.


10


Ngập úng đô thị không chỉ do nguyên nhân đô thị hóa mà sự ảnh hưởng của
biến đổi khí hậu. Các thiên tai như hạn hán, bão, lũ lụt xảy ra thường xuyên. Đa số
các thành phố lớn và khu công nghiệp lớn đều tập trung ở vùng đồng bằng trũng
thấp, khu vực ven biển. Đây là những khu vực rất dể bị tổn thương do biến đổi khí
hậu (BĐKH) gây ra. Sự phát triển đô thị cũng đang đối mặt với nhiều thách thức
mang tính toàn cầu về kinh tế, môi trường, năng lượng và đặc biệt là tác động của
BĐKH gây ra.
Ở Việt nam, đến nay đã có một số nghiên cứu về tác động của BĐKH hoặc
quá trình đô thị hóa đến tiêu thoát nước như:
- Nghiên cứu “BĐKH châu Á: Nghiên cứu cho Việt Nam” do Viện Quy hoạch
Thủy lợi chủ trì thực hiện năm 1994 đã có đánh giá bước đầu tác động của BĐKH
tới nguồn nước, các vùng ven biển ở Việt Nam và đề xuất các biện pháp thích ứng,
giảm thiểu tác hại cho các ngành kinh tế khác nhau.
- Tài liệu“Thoát nước đô thị bền vững” của PGS. TS. Nguyễn Việt Anh,
trường Đại học Xây dựng. Tác giả đưa ra các phương thức tiếp cận và mô hình
thoát nước cho các đô thị Việt Nam. Từ đó đề xuất tổ chức thoát nước cho các đô
thị Việt Nam và đưa ra mộ số mô hình quản lý nước đô thị.
* Giải pháp thoát nước bền vững đã được áp dụng tại Việt Nam:
Cách tiếp cận của thoát nước mưa bền vững là thoát chậm, không phải thoát
nhanh, tránh lượng mưa tập trung lớn tại một điểm của hệ thống thoát nước trong
thời gian ngắn. Tiết diện cống sẽ khó thể đáp ứng nếu lượng mưa lớn, tốn kém mà
nước vẫn tràn cống, gây ngập đường, lụt nhà. Vì vậy, phải tổ chức thoát nước mưa,
kết hợp các biện pháp khác nhau một cách đồng bộ, sao cho dòng chảy được tập
trung chậm khi vào hệ thống thoát nước mà không gây ngập. Sử dụng hồ điều hòa

trên diện tích thu gom và truyền dẫn nước mưa để lưu giữ nước mưa là một cách
làm phổ biến. Bên cạnh đó, sử dụng bản thân diện tích bề mặt của thành phố, tăng
cường cho việc nước thấm tự nhiên xuống đất qua các thảm cỏ xanh, đồng thời tạo
cảnh quan và điều hòa tiểu khí hậu.


11


Song song với các nghiên cứu về tác động của biến đổi khí hậu là các nghiên
cứu về giải pháp nâng cao chất lượng phục vụ của hệ thống thoát nước của các đô
thị đang phát triển hiện nay. Với một số công trình nghiên cứu như:
- Luận án tiến sĩ kỹ thuật “Xác định phương pháp tính toán thoát nước mưa
đô thị trong điều kiện Việt Nam” của Trần Hữu Uyển, Trường Đại học Xây dựng.
- Luận án tiến sĩ kỹ thuật “Nghiên cứu mô hình mưa tối ưu cho vùng bao gồm
cả đô thị và nông nghiệp của Bắc bộ Việt Nam” của Nguyễn Tuấn Anh, Trường Đại
học Thủy Lợi.
- Luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu cơ sở khoa học của việc tiêu nước cho những
vùng đang diễn ra quá trình đô thị hoá” của ThS. Đặng Minh Hải, người hướng
dẫn khoa học PGS.TS. Dương Thanh Lượng. Luận văn đã nghiên cứu cơ sở khoa
học tính toán hệ số tiêu cho các vùng đang diễn ra quá trình đô thị hóa, sử dụng mô
hình SWMM mô phỏng ảnh hưởng của quá trình đô thị hóa tới hệ số tiêu đô thị.
1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Trước sự biển đổi ngày càng khó lường của khí hậu, sự phát triển mạnh mẽ
của đô thị hóa, cùng với hệ thống thoát nước được xây dựng không đồng bộ của đô
thị, khiến cho việc tiêu thoát nước trở nên khó khăn hơn rất nhiều. Giải quyết vấn
đề thoát nước cho đô thị là một trong những yêu cầu cấp bách hiện nay đối với tất
cả các thành phố lớn, vừa và nhỏ. Cần phải áp dụng các phương pháp tính toán phù
hợp để tìm ra giải pháp nhằm nâng cao khả năng phục vụ của hệ thống thoát nước,
đảm bảo cho đô thị không bị các vấn đề về ngập lụt ảnh hưởng đến quá trình phát

triển cũng như không làm ảnh hưởng đến đời sống xã hội của người dân và bền
vững cho môi trường. Các phương pháp tính toán sẽ được giới thiệu trong chương 2
của luận văn này.



12


CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN HỆ THỐNG
THOÁT NƯỚC MƯA ĐÔ THỊ

Để có thể tính toán được hệ thống thoát nước mưa cho đô thị, tác giả dựa vào các cơ
sở lý thuyết như sau:
+ Số liệu thu thập, xây dựng mô hình mưa thiết kế cho khu vực.
+ Tính toán hệ thống thoát nước theo phương pháp mô phỏng hệ thống bằng mô
hình SWMM.
+ Tính toán hệ thống thoát nước bằng phương pháp cường độ giới hạn.
2.1. MƯA VÀ MƯA THIẾT KẾ
Một trận mưa rào tại một vị trí được đặc trưng bởi:
+ Thời gian mưa (phút, ngày, giờ)
+ Tổng lượng mưa (mm)
+ Phân bố mưa theo thời gian
Dùng thiết bị đo mưa tự ghi để đo quá trình một trận mưa thực.
2.1.1. Đặc trưng của mưa thiết kế
+ Chu kỳ lặp lại thiết kế (tần suất mưa)
+ Thời gian mưa (phút, ngày, giờ)
+ Độ sâu mưa (lượng mưa, mm)
+ Biểu đồ quá trình mưa hay phân bố theo thời gian của mưa.

Mưa thiết kế có thể tính toán dựa trên cơ sở các số liệu đo đạc về mưa trong
nhiều năm tại một địa điểm.


13


2.1.2. Các bước thực hiện khi thiết kế hệ thống thoát nước mưa
+ Bước 1: Xác định lưu lượng thiết kế cống theo công thức cường độ giới hạn,
từ đó sơ bộ chọn đường kính, độ dốc, cao trình đặt cống…
+ Bước 2: Mô phỏng quá trình mưa và dòng chảy để kiểm tra hệ thống (sử
dụng trận mưa thiết kế làm thông số đầu vào và sử dụng một mô hình tính toán mưa
– dòng chảy). Nếu hệ thống không đạt yêu cầu thì điều chỉnh lại đường kính, độ
dốc, cao trình đáy cống,… và lặp lại cho đến khi đạt yêu cầu.
2.1.3. Quan hệ giữa độ sâu mưa - thời gian mưa - tần suất
Quan hệ giữa độ sâu mưa - thời gian mưa - tần suất (Depth - Duration -
Frequency) được viết tắt là DDF.
+ Quan hệ DDF thông thường được biểu diễn dưới dạng đồ thị, trong đó thời
gian mưa được đặt trên trục hoành, độ sâu mưa đặt trên trục tung và các đường cong
tương ứng với tần suất (thời kỳ xuất hiện lại).
+ Để xây dựng quan hệ DDF, ta thực hiện các bước sau:
- Đối với mỗi thời gian mưa, ta tiến hành phân tích tần suất để tính các độ sâu
mưa thiết kế ứng với các chu kỳ lặp lại khác nhau.
- Sử dụng phương pháp phân tích hồi quy sẽ xây dựng được quan hệ độ sâu
mưa và thời gian mưa ứng với từng tần suất (chu kỳ lặp lại).
Bằng phương pháp hồi quy, có thể xây dựng quan hệ DDF dưới dạng công
thức sau:
H = f(d, T) (Độ sâu mưa = hàm số của thời gian mưa và chu kỳ lặp lại)
Dựa trên số liệu đo mưa, tác giả Nguyễn Tuấn Anh (2009) đã nghiên cứu xây
dựng quan hệ DDF cho 06 vùng ở đồng bằng Bắc Bộ như sau:

14


Trong đó:
H
d
(T) = Lượng mưa (mm)
D = thời gian mưa (giờ)
T = Chu kì lặp lại (năm)
b1, c1, b2, c2, e1, f1, e2, f2, a, b là các tham số được cho trong bảng 2.1

Bảng 2.1: Giá trị tham số của đường DDF
2.1.4. Quan hệ cường độ mưa - thời gian mưa - tần suất
Quan hệ cường độ mưa - thời gian mưa - tần suất (Intensity - Duration – Frequency)
được viết tắt là IDF.
Các độ sâu mưa thiết kế được chuyển thành cường độ mưa theo công thức sau:
i = h/d = A/d
n
(mm/h)
Quan hệ IDF có dạng như hình sau:


15



Hình 2.1: Mối quan hệ IDF

2.1.5. Xác định mô hình mưa thiết kế
Mô hình mưa thiết kế (MHMTK) là quá trình mưa phân bố theo thời gian. Một số
phương pháp xác định MHMTK điển hình như sau:
a. Xác định mô hình mưa thiết kế dựa trên trận mưa điển hình
Phương pháp này dựa trên quan điểm mưa các thời khoảng dài có chứa mưa
thời khoảng ngắn.
Chọn mô hình mưa điển hình theo các yêu cầu sau:
+ Trận mưa lớn đã xảy ra gây ngập úng lớn trong thực tế, đại biểu cho một
nguyên nhân gây mưa úng nhất định trong khu vực.
+ Có thời gian mưa hiệu quả bằng hoặc xấp xỉ thời gian mưa tính toán.
+ Có lượng mưa toàn trận bằng hoặc xấp xỉ lượng mưa trong thời khoảng
khống chế ứng với tần suất thiết kế.
Thu phóng mô hình mưa điển hình thành mô hình mưa tiêu thiết kế bằng cách
nhân các giá trị tung độ của mô hình mưa điển hình với hệ số thu phóng K, xác định
theo công thức sau:


16


K=Xp/Xđh
Trong đó: Xp: Lượng mưa thiết kế với tần suất P
Xđh: Lượng mưa của trận mưa điển hình
b. Phương pháp khối xen kẽ
Phương pháp này được đề xuất bởi Chow (1988)
+ Mô hình mưa thiết kế được xác định từ một đường cong quan hệ IDF hoặc
quan hệ DDF.
+ Mô hình mưa này được đặc trưng bởi độ sâu mưa xuất hiện trong n khoảng
thời gian kế tiếp nhau trên tổng thời gian mưa: Td = n*Δt
Các bước xây dựng mô hình mưa thiết kế:

+ Sau khi lựa chọn chu kì xuất hiện lại trận mưa thiết kế, ta đọc cường độ mưa
i cho mỗi thời gian mưa Δt, 2Δt, 3Δt…từ một đường IDF tương ứng với chu kỳ xuất
hiện lại đã chọn và tính độ sâu mưa tích lũy (h) bằng cách nhân cường độ mưa với
thời gian mưa (h = i*t).
+ Lấy hiệu số giữa hai giá trị liên tiếp của độ sâu mưa lũy tích, ta sẽ tính được
độ sâu mưa thiết kế ứng với mỗi Δt và được gọi là các khối: (h(n* Δt)-h((n-1) Δt).
+ Các khối được sắp xếp với cường độ mưa lớn nhất được xếp ở giữa hoặc ở
thời gian xuất hiện đỉnh, các khối còn lại được sắp xếp theo thứ tự giảm dần và
được chia đều ở bên phải và bên trái của khối trung tâm.


17



Hình 2.2: Mô hình mưa thiết kế xây dựng theo phương pháp khối xen kẽ
c. Phương pháp mô hình mưa tam giác
Phương pháp này được đề xuất bởi Yen và Chow (1980)
Với mô hình mưa tam giác có cạnh đáy là thời gian mưa Td, chiều cao h là
cường độ mưa. Khi biết độ sâu mưa P và thời gian mưa Td ta xác định được cường
độ mưa là chiều cao h.

Hình 2.3: Mô hình mưa thiết kế xây dựng theo phương pháp tam giác