Xây dựng mô hình thích hợp cho tính toán hệ thống công trình tổng hợp tiêu thoát nước đô thị vùng ảnh hưởng triều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

-

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM

VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI MIỀN NAM

ĐẶNG THANH LÂM

XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍCH HỢP CHO TÍNH TOÁN
HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH TỔNG HỢP TIÊU THOÁT
NƢỚC ĐÔ THỊ VÙNG ẢNH HƢỞNG TRIỀU

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP Hồ Chí Minh, 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

-

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM

VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI MIỀN NAM

ĐẶNG THANH LÂM

XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍCH HỢP CHO TÍNH TOÁN
HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH TỔNG HỢP TIÊU THOÁT
NƢỚC ĐÔ THỊ VÙNG ẢNH HƢỞNG TRIỀU
Chuyên ngành: Kỹ thuật Tài nguyên nƣớc
Mã ngành: 62 58 02 12

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Cán bộ hƣớng dẫn: GS.TS Nguyễn Tất Đắc

TP Hồ Chí Minh, 2015


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung của Luận án này hoàn toàn đƣợc hình thành và
phát triển từ những quan điểm của chính cá nhân tôi, dƣới sự hƣớng dẫn khoa học
của Gs.Ts Nguyễn Tất Đắc. Các số liệu và kết quả có đƣợc trong Luận án là hoàn
toàn trung thực.
Tác giả luận án
ĐẶNG THANH LÂM


ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i
MỤC LỤC ............................................................................................................................. ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT ..................................................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .............................................................................. vii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN NGẬP ÖNG ĐÔ THỊ, GIẢI PHÁP KỸ THUẬT
CHỐNG NGẬP VÀ MÔ HÌNH TÍNH TIÊU THOÁT NƢỚC .... 5
1.1

NGẬP LỤT VÀ CÁC GIẢI PHÁP CHỐNG NGẬP CHO MỘT SỐ THÀNH PHỐ . 5

1.1.1

Lịch sử phát triển kỹ thuật và quản lý tiêu thoát nƣớc đô thị trên thế giới ......... 5

1.1.2

Vài nét về tình hình ngập lụt trong và ngoài nƣớc.............................................. 5

1.1.3

Nguyên nhân ngập úng các thành phố ................................................................ 7

1.1.4

Giải pháp tổng hợp chống ngập đô thị ................................................................ 8

1.2

CÁC MÔ HÌNH TOÁN TÍNH TIÊU THOÁT NƢỚC ĐÔ THỊ ............................... 11

1.2.1

Một số khái niệm .............................................................................................. 11

1.2.2

Một số mô hình thủy văn đô thị ........................................................................ 15

1.2.3

Một số mô hình thủy lực đô thị ......................................................................... 19

1.3

NHẬN XÉT CHUNG VỀ TÍNH NĂNG CÁC MÔ HÌNH THỦY VĂN, THỦY LỰC
ĐÔ THỊ....................................................................................................................... 27

1.4

KẾT LUẬN CHƢƠNG .............................................................................................. 29

CHƢƠNG 2: MÔ HÌNH DELTA-P NỐI GHÉP THỦY LỰC ĐƢỜNG ỐNG
VỚI THỦY LỰC SÔNG KÊNH .................................................... 30
2.1

MÔĐUN THỦY LỰC DÒNG CHẢY TRONG SÔNG KÊNH DELTA .................. 30

2.1.1

Hệ phƣơng trình cơ bản cho dòng chảy ............................................................ 30

2.1.2

Điều kiện biên, điều kiện đầu, điều kiện tại các hợp lƣu .................................. 31

2.1.3

Thuật toán giải số hệ phƣơng trình Saint-Venant ............................................. 32


iii
2.1.4

Cách sơ đồ hóa hệ thống sông trong tính toán .................................................. 43

2.1.5

Công thức truy đuổi để tính mực nƣớc và lƣu lƣợng trong từng nhánh sông
trong trƣờng hợp tính toán hệ thống sông ......................................................... 45

2.1.6

Xây dựng hệ phƣơng trình có ẩn là mực nƣớc tại các nút hợp lƣu ................... 46

2.1.7

Vấn đề thực hành khi thiết lập các hệ số của phƣơng trình nút (2-36) và
phƣơng pháp giải............................................................................................... 51

2.1.8

Thuật toán cho dòng chảy qua công trình ......................................................... 54

2.1.9

Thuật toán cho dòng chảy trên những ô đồng ................................................... 62

2.1.10

Tính lƣợng mƣa trên ô ruộng ............................................................................ 70

2.2

MÔĐUN THỦY LỰC DÒNG CHẢY TRONG ĐƢỜNG ỐNG P ........................... 73

2.2.1

Phân tích quy luật dòng chảy trong cống ngầm ................................................ 75

2.2.2

Nối mạng ống với nhau hoặc mạng ống với kênh ............................................ 79

2.2.3

Cách giải số đối với bài toán đƣờng ống .......................................................... 80

2.2.4

Tính toán mƣa trong môđun P .......................................................................... 83

2.3

TÍCH HỢP CSDL VÀ GIS CỦA PHẦN MỀM DELTA-P ....................................... 84

2.3.1

Chức năng hệ thống .......................................................................................... 84

2.3.2

Tổng quan về cơ sở dữ liệu ............................................................................... 84

2.3.3

Thiết kế giao diện màn hình sử dụng ................................................................ 85

2.3.4

Tổ chức mạng lƣới sông kênh. .......................................................................... 87

2.3.5

Nhận xét: ........................................................................................................... 87

2.4

KẾT LUẬN CHƢƠNG .............................................................................................. 88

CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG DELTA-P MÔ PHỎNG SÔNG KÊNH TP HỒ CHÍ
MINH VÀ CỐNG LƢU VỰC TÂN HÓA – LÕ GỐM ............... 89
3.1

ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN KHU VỰC TP HỒ CHÍ MINH ......................................... 90

3.1.1

Vị trí địa lý ........................................................................................................ 90

3.1.2

Đặc điểm địa hình ............................................................................................. 90

3.1.3

Đặc điểm khí hậu .............................................................................................. 90

3.1.4

Hệ thống sông kênh .......................................................................................... 91

3.1.5

Hệ thống cống thoát nƣớc ................................................................................. 93


iv
3.2

NGẬP ÚNG ĐÔ THỊ Ở TP HỒ CHÍ MINH ............................................................. 94

3.2.1

Thực trạng và nguyên nhân ngập úng khu vực nội thành ................................. 94

3.2.2

Giải pháp chống úng ngập và ứng dụng mô hình toán ..................................... 98

3.2.3

Nhận xét về ứng dụng các mô hình toán trong các dự án chống ngập ........... 103

3.3

MÔ HÌNH THUỶ LỰC SÔNG KÊNH DELTA-P KHU VỰC TPHCM ............... 105

3.3.1

Hệ thống tài liệu cho xây dựng mô hình ......................................................... 105

3.3.2

Xây dựng sơ đồ và hiệu chỉnh mô hình .......................................................... 105

3.3.3

Kết quả mô phỏng thủy lực sông kênh hạ lƣu ĐNSG .................................... 106

3.3.4

Nhận xét kết quả tính toán bằng mô hình DELTA-P...................................... 111

3.4

MÔ HÌNH THUỶ LỰC ĐƢỜNG ỐNG DELTA-P KHU VỰC KÊNH TÂN HOÁLÒ GỐM .................................................................................................................. 111

3.4.1

Phạm vi vùng nghiên cứu................................................................................ 111

3.4.2

Hệ thống kênh rạch, cống tiêu và công trình trên kênh .................................. 114

3.4.3

Tình hình ngập úng lƣu vực Tân Hoá-Lò Gốm .............................................. 116

3.4.4

Nguyên nhân, tồn tại và những giải pháp chống ngập úng lƣu vực THLG .... 117

3.4.5

Tài liệu địa hình .............................................................................................. 118

3.4.6

Tài liệu mƣa và thuỷ văn................................................................................. 119

3.4.7

Mô hình mạng đƣờng ống ............................................................................... 120

3.4.8

Điều kiện mƣa và dòng chảy do mƣa ............................................................. 120

3.4.9

Mô phỏng hiện trạng úng ngập tháng 10/2005 ............................................... 121

3.4.10

Mô phỏng phƣơng án mở rộng, nạo vét kênh THLG (PA1) .......................... 125

3.4.11

Mô phỏng phƣơng án mở kênh và nâng cấp đƣờng ống tiêu nƣớc (PA2) ...... 126

3.5

KẾT LUẬN CHƢƠNG ............................................................................................ 127

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 129
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .................................................................. 133
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 135

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT
1D và 2D

Một và hai chiều (1, 2 Dimension) trong mô hình toán

Bộ NN&PTNT

Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn

CIWEM

Cơ quan chuyên trách quản lý nƣớc và môi trƣờng (Anh)

CSDL

Cơ sở dữ liệu

ĐBSCL

Đồng bằng sông Cửu Long

ĐN-SG

Đồng Nai-Sài Gòn

DHI

Viện Thuỷ lực Đan Mạch (Danish Hydraulic Institute)

EPA (US)

Cơ quan bảo vệ môi trƣờng (Mỹ) (Environmental Protection
Agency)

GIS

Hệ thống thông tin địa lý (Georaphical Information System)

HD

Thuỷ động lực học (Hydro-Dynamic)

JICA

Cơ quan hợp tác quốc tế Nhật bản (Japan International
Cooperation Agency)

NCS

Nghiên cứu sinh

PCI

Công ty tƣ vấn Thái Bình Dƣơng (Pacific International Consultant)

SWMM

Mô hình quản lý nƣớc mƣa (Storm Water Management Model)

THLG

Tân Hóa - Lò Gốm

TP HCM

Thành phố Hồ Chí Minh

ĐHCTCN

Điều hành Chƣơng trình chống ngập (Trung tâm thuộc UBND TP
HCM)

UBND

Ủy ban nhân dân

UDFCD

Cơ quan phòng chống lũ và tiêu nƣớc đô thị thuộc bang Colorado
Mỹ (Urban Drainage and Flood Control District)

Viện KHTLMN

Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam

Viện QHTLMN

Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam

WASSP

Bộ mô hình cống tiêu nƣớc mƣa của Đại học Wallingford
(Wallingford Storm Sewer Package)


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3-1: Diễn biến các điểm ngập do mƣa vùng trung tâm thành phố ............................. 95
Bảng 3-2: Diễn biến các điểm ngập do triều ....................................................................... 95
Bảng 3-3: Tổng hợp các thông số chính hệ thống kênh thuộc khu vực THLG ................. 114
Bảng 3-4: Thống kê khu ngập lƣu vực THLG ................................................................... 117


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1-1: Hình ảnh ngập úng do mƣa (trái) và do triều cƣờng (phải) ở TPHCM ................ 6
Hình 1-2: Những nguyên nhân tự nhiên gây ngập úng TP Hồ Chí Minh ............................. 7
Hình 1-3: Sơ đồ các thành phần trong hệ thống thoát nƣớc đô thị và các mô hình áp dụng10
Hình 1-4: Sơ đồ chu trình thuỷ văn lƣu vực chƣa đô thị hoá ............................................. 11
Hình 1-5: Sơ đồ chu trình thuỷ văn lƣu vực đô thị .............................................................. 12
Hình 1-6: Các đặc trƣng thủy văn của lƣu vực đô thị .......................................................... 13
Hình 1-7: Diễn biễn dòng chảy mƣa lũ trên đô thị .............................................................. 14
Hình 1-8: Giao diện nhập thông số lƣu vực mô hình Urban-A ........................................... 17
Hình 1-9: Giao diện nhập thông số lƣu vực mô hình Urban-B ........................................... 17
Hình 1-10: Sơ đồ biểu diễn ngập úng bề mặt đƣờng (hai chấm đỏ tròn) có cống ngầm ..... 21

Hình 1-11: Kết quả kiểm định mô hình NAM và MIKE FLOOD sông Đáy-Nhuệ ............ 23
Hình 1-12: Bản đồ ngập lụt tính toán bằng MIKE FLOOD cho lƣu vực sông Nhuệ - Đáy
trên địa bàn TP Hà Nội. ....................................................................................................... 24
Hình 1-13: Sơ đồ hệ thống tiêu nƣớc lƣu vực Segunbagicha năm 1996 ............................. 25
Hình 2-1: Mặt cắt ngang sông.............................................................................................. 31
Hình 2-2: Hợp lƣu của ba nhánh sông ................................................................................. 32
Hình 2-3: Vị trí tám mặt cắt trên một nhánh sông ............................................................... 33
Hình 2-4: Sơ đồ sai phân bốn điểm Preissmann .................................................................. 33
Hình 2-5: Sơ đồ rời rạc hóa một nhánh sông trong tính toán .............................................. 38
Hình 2-6: Sơ đồ hóa nhánh sông thứ j ................................................................................. 40
Hình 2-7: Các nhánh sông (có thể có) tại nút hợp lƣu, trƣờng hợp tính thủy lực kênh sông46
Hình 2-8: Nhánh trong nối 2 hợp lƣu JV và I, các mặt cắt đánh số từ k1 tới kN ............... 46
Hình 2-9: Nhánh trong nối hai hợp lƣu I và JR , các mặt cắt đánh số từ i1 tới iN (nhánh
chảy ra từ nút I) .................................................................................................................... 47
Hình 2-10: Sơ đồ nhánh biên thứ m nối hợp lƣu I với biên J (cho lƣu lƣợng Qb) .............. 47
Hình 2-11: Sơ đồ nhánh biên thứ m nối hợp lƣu I với biên J (cho mực nƣớc Hb) .............. 48


viii
Hình 2-12: Tính toán lƣu lƣợng dòng chảy qua công trình ................................................. 55
Hình 2-13: Sơ đồ hóa luật chảy qua công trình/cống .......................................................... 58
Hình 2-14: Cống có cửa kéo lên xuống (trái) và cống cánh cửa xoay ngang (phải) ........... 58
Hình 2-15: Cách ghép công trình trong sơ đồ tính toán ...................................................... 59
Hình 2-16: Sơ đồ công trình ................................................................................................ 60
Hình 2-17: Khu/ô ruộng trữ nƣớc trong tự nhiên ................................................................ 62
Hình 2-18: Sơ đồ chảy giữa sông và các ô ruộng ................................................................ 62
Hình 2-19: Một cách sơ đồ hoá dạng đƣờng tràn ................................................................ 63
Hình 2-20: Sơ đồ điểm nối sông-ô ruộng (hay ô ruộng-ô ruộng) ........................................ 64
Hình 2-21: Hai ô ruộng thực tế I và II (trái) với 4 điểm tiếp xúc (3 điểm tiếp xúc ruộng với
sông và 1 điểm ruộng với ruộng) và cách lập kênh giả nối tâm ô ruộng với các điểm tiếp

xúc trong mô hình (trái) ....................................................................................................... 68
Hình 2-22: Sơ đồ tính toán ô ruộng ..................................................................................... 68
Hình 2-23: Sơ đồ các nhánh sông vị trí mặt cắt và công trình trong mô phỏng .................. 69
Hình 2-24: Sơ đồ tính lƣợng mƣa ........................................................................................ 71
Hình 2-25: Sơ đồ tổ chức của DELTA (có ghép môđun P)................................................. 72
Hình 2-26: Sơ đồ khối các trƣờng hợp tính ứng với các điều kiện dòng chảy trong ống .... 74
Hình 2-27: Hình minh hoạ các trƣờng hợp dòng chảy trong cống ...................................... 74
Hình 2-28: Sơ đồ mạng đƣờng ống-kênh ............................................................................ 80
Hình 2-29: Các nhánh sông và đƣờng cống ngầm (có thể có) tại nút hợp lƣu sông I ......... 82
Hình 2-30: Sơ đồ chức năng hệ thống trong mô hình DELTA-P ........................................ 85
Hình 2-31: Giao diện tạo nhánh sông mới ........................................................................... 86
Hình 2-32: Giao diện SectionFrom ...................................................................................... 86
Hình 2-33: Giao diện TreeNetForm..................................................................................... 87
Hình 3-1: Bản đồ mạng lƣới sông, kênh, rạch TP Hồ Chí Minh ......................................... 92
Hình 3-2: Bản đồ hiện trạng úng ngập TP HCM ................................................................. 96
Hình 3-3: Bản đồ 6 lƣu vực thoát nƣớc mƣa ....................................................................... 99
Hình 3-4: Sơ đồ thủy lực mô hình DELTA-P vùng hạ lƣu ĐN-SG ................................. 106


ix
Hình 3-5: Diễn biến mực nƣớc tháng 2-2005 tại trạm Biên Hòa. ..................................... 107
Hình 3-6: Diễn biến mực nƣớc tháng 3-2005 tại trạm Biên Hòa. ..................................... 108
Hình 3-7: Diễn biến mực nƣớc tháng 4-2005 tại trạm Biên Hòa. ..................................... 108
Hình 3-8: Diễn biến mực nƣớc tháng 2-2005 tại trạm Nhà Bè.......................................... 108
Hình 3-9: Diễn biến mực nƣớc tháng 3-2005 tại trạm Nhà Bè.......................................... 109
Hình 3-10: Diễn biến mực nƣớc tháng 4-2005 tại trạm Nhà Bè........................................ 109
Hình 3-11: Mực nƣớc thực đo và mô phỏng tại Biên Hoà tháng 10-2005 ........................ 110
Hình 3-12: Mực nƣớc thực đo và mô phỏng tại Nhà Bè tháng 10-2005 ........................... 110
Hình 3-13: Mực nƣớc thực đo và mô phỏng tại Phú An tháng 10-2005 ........................... 110
Hình 3-14: Mực nƣớc mô phỏng tại Phú An, Bến Lức và cửa Lò Gốm tháng 10-2005 ... 111

Hình 3-15: Bản đồ vị trí lƣu vực Tân Hoá-Lò Gốm trong vùng nội thành TP HCM ........ 112
Hình 3-16: Bản đồ các đơn vị hành chính trong lƣu vực THLG ....................................... 113
Hình 3-17: Hệ thống cống lƣu vực THLG......................................................................... 115
Hình 3-18: Bản đồ vị trí các khu ngập lƣu vực THLG theo điều tra ................................. 116
Hình 3-19: Bản đồ cao độ số vùng THLG ......................................................................... 119
Hình 3-20: Sơ đồ mô hình hệ thống đƣờng ống tiêu thoát nƣớc lƣu vực THLG .............. 121
Hình 3-21: Biểu đồ diễn biến độ ngập trên đƣờng phố ngày 01-09/10/2005 .................... 123
Hình 3-22: Biểu đồ diễn biến mực nƣớc triều trên kênh ngày 01-09/10/2005 .................. 123
Hình 3-23: Mực nƣớc tính toán hiện trạng năm 2005 tại một số nút cống lƣu vực THLG và
một nút kênh ...................................................................................................................... 124
Hình 3-24: Bản đồ ngập hiện trạng trận mƣa tháng 10-2005 ............................................ 124
Hình 3-25: Bản đồ phân bố ngập lƣu vực THLG phƣơng án mở kênh ............................. 125
Hình 3-26: Bản đồ phân bố ngập lƣu vực THLG phƣơng án mở kênh và nâng cấp cống 126


1

MỞ ĐẦU
Ngày nay chúng ta đều nhận thấy tầm quan trọng của việc quản lý nƣớc đặc
biệt là ở các đô thị ở vùng châu thổ sông, nằm sát biển, nơi tập trung dân số cao, tốc
độ đô thị hoá mạnh và chịu ảnh hƣởng của các yếu tố tự nhiên nhƣ mƣa cƣờng độ
lớn, lũ lớn từ thƣợng lƣu và thuỷ triều, chẳng hạn nhƣ TP Hồ Chí Minh, Hải Phòng,
Cần Thơ, Vĩnh Long, Cà Mau ở Việt Nam cũng nhƣ nhiều thành phố trên thế giới
nhƣ Băng Cốc (Thái Lan), hạ lƣu sông Thames (Anh quốc). Việc giải quyết vấn đề
tiêu thoát nƣớc chống ngập úng hiệu quả phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó mô hình
thuỷ văn thuỷ lực đô thị là công cụ quan trọng và không thể thiếu trong công tác
quy hoạch, thiết kế mạng lƣới tiêu thoát nƣớc.
Cho đến nay, ở trong nƣớc cũng nhƣ nƣớc ngoài việc dùng mô hình toán để
tính toán dòng chảy và lan truyền chất trên mạng kênh sông đã trở nên phổ biến và
các mô hình toán trong lĩnh vực này cũng khá hoàn thiện. Kỹ thuật tính toán tiêu

thoát nƣớc mƣa cho thành phố qua mạng đƣờng ống/cống ngầm cũng đã đƣợc biên
soạn thành giáo trình hay sổ tay (Trong luận án này mạng đường ống hay mạng
cống ngầm được hiểu là mạng đường ống có chiều dài không nhỏ hơn 5m được đặt
ngầm dưới đất nhằm tiêu thoát nước mưa (hay nước thải, nước tràn) từ đường phố
ra sông kênh hay các khu trữ) . Tuy nhiên, việc tính tiêu thoát nƣớc mƣa khi đổ vào
kênh rạch có chịu ảnh hƣởng triều và ngay việc tính thủy lực mạng kênh có nối với
đƣờng ống/cống ngầm vẫn chƣa đƣợc đề cập tới nhiều. Các mô hình của nƣớc ngoài
nhƣ SWMM5 hay Mike-Urban cũng đã đƣợc thử nghiệm nhƣng còn nhiều hạn chế
nhất là khi mô phỏng ảnh hƣởng triều đến dòng chảy trong ống gây ngập lụt nhƣ
với điều kiện TP Hồ Chí Minh.
Một hiện tƣợng đƣợc biết rất rõ là khi mƣa to lại gặp triều cƣờng trên mạng
kênh rạch thì nƣớc mƣa khó tiêu thoát sinh ra ngập úng nhiều vùng; trƣờng hợp này
thƣờng xuyên xảy ra với một số khu vực thuộc TP Hồ Chí Minh trong mùa mƣa.
Với một số vùng và đƣờng phố của TP Hồ Chí Minh khi không có mƣa cũng bị
ngập do triều cƣờng, hoặc bị ngập sau mƣa do nƣớc mƣa từ nơi khác chuyển tới. Đã


2

có tác giả thử xây dựng mô hình tính toán nhƣng chỉ xét đƣợc trƣờng hợp chảy ngập
trong hệ cống ngầm và toàn bộ lƣợng mƣa đƣợc xem nhƣ tập trung vào các miệng
thu nƣớc làm cho cột áp tại các miệng thu rất cao dẫn tới lƣu lƣợng tiêu thoát rất lớn
làm tăng đáng kể thời gian ngập lụt và độ ngập lụt. Mặt khác với cách tính toán này
không tính đƣợc sự ngập triều trong tính toán dòng chảy trong mạng ống/cống
ngầm nối với mạng kênh rạch khi có mƣa và không mƣa trong vùng chịu ảnh hƣởng
của thủy triều. Lƣợng mƣa qua một số yếu tố điều tiết nhƣ mái nhà, cây cối,… sẽ
tập trung trên lƣu vực (chẳng hạn đƣờng phố) rồi mới chảy dần vào các miệng thu
cho nên trong trƣờng hợp không mƣa vẫn có một lớp nƣớc trong đƣờng cống và khi
ngập triều thì có dòng chảy.
Những tính toán mới đây cho dự án ngập úng TP Hồ Chí Minh,[4] mặc dù có

tính mƣa bằng Mike-Urban nhƣng vẫn phải giả định mƣa bao nhiêu tiêu hết ra kênh
bấy nhiêu mà bỏ qua dòng chảy và vai trò trữ của hệ thống cống ngầm.
Những đặc điểm nêu trên sẽ đƣợc tính tới trong việc xây dựng một phƣơng
pháp tính và bộ chƣơng trình máy tính tƣơng ứng nhằm tính toán đƣợc sự tƣơng tác
giữa mạng kênh sông và mạng cống ngầm trong hệ thống tiêu chịu ảnh hƣởng của
cả mƣa và ngập triều. Bộ chƣơng trình này đƣợc đặt tên là DELTA-P, là sự kết hợp
hai mô hình thuỷ lực sông kênh DELTA (tiền thân là mô hình SAL của GS Nguyễn
Tất Đắc) và mô đun dòng chảy trong cống ngầm (Pipe flow-P). Mô hình DELTA-P
đã đƣợc thử áp dụng cho mạng cống ngầm vùng Tân Hóa–Lò Gốm của TP Hồ Chí
Minh với toàn mạng kênh sông chi tiết của hệ thống sông Đồng Nai-Sài Gòn trong
điều kiện thủy văn của tháng 10/2005. Kết quả tính toán cho thấy tính hợp lý mong
muốn của hiện tƣợng đƣợc mô phỏng, chẳng hạn ngập chỉ do triều cƣờng hoặc khi
không có mƣa hoặc ngập khi đã hết mƣa.
Mục tiêu nghiên cứu:
Tận dụng khả năng của mô hình thuỷ lực sông kênh để nối ghép tính toán
đồng thời với môđun cống ngầm nhằm áp dụng sát thực và chính xác hơn với điều
kiện một số thành phố chịu ảnh hƣởng đồng thời mƣa lớn và triều cƣờng ở nƣớc ta.


3

Đồng thời, giải đáp một trong những tồn tại về giải pháp tiêu thoát nƣớc đô thị có
xét đến yếu tố tác động của triều cƣờng và mƣa cục bộ trong điều kiện đô thị hoá.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tƣợng nghiên cứu là mô hình toán mô phỏng chế độ thuỷ văn-thuỷ lực
sông kênh tự nhiên và mạng cống ngầm tiêu thoát nƣớc đô thị.
Phạm vi nghiên cứu là phát triển mới môđun thủy lực cống ngầm (gồm giải
số, lập trình, lập sơ đồ mạng cống và mô phỏng thử nghiệm) và tích hợp trong mô
hình thủy lực sông kênh.
Phƣơng pháp nghiên cứu:

Tổng hợp và phân tích tài liệu;
Phƣơng pháp thủy văn lƣu vực;
Phƣơng pháp thuỷ động lực học;
Phƣơng pháp số (toán học);
Phƣơng pháp lập trình và mô hình hóa;
Kỹ thuật GIS.
Nội dung thực hiện:
Đánh giá về tình hình ngập úng đô thị trong và ngoài nƣớc, nguyên nhân và
giải pháp chống ngập.
Nghiên cứu bổ sung cơ sở lý thuyết mô hình hóa thủy văn, thủy lực đô thị.
Rà soát và cải tiến mô hình thuỷ động lực sông kênh kết nối với mô hình
dòng chảy trong mạng cống ngầm để mô phỏng đƣợc dòng chảy và ngập lụt vùng
ảnh hƣởng thuỷ triều.
Ứng dụng mô hình để mô phỏng thí điểm hệ thống sông kênh khu vực TP
Hồ Chí Minh và nối kết hệ thống cống ngầm vùng Tân Hóa-Lò Gốm.
Sử dụng kỹ thuật GIS trình diễn kết quả mô phỏng úng ngập vùng nghiên
cứu.
Kết quả đạt đƣợc:


4

Luận án luận giải tình hình ngập úng, nguyên nhân, các dự án và các vấn đề
cần giải quyết, ứng dụng mô hình toán thủy văn, thủy lực giải quyết úng ngập đặc
biệt với vùng ảnh hƣởng triều.
Nghiên cứu cách ghép nối mô hình thủy lực đƣờng ống và thủy lực sông
kênh với tên gọi DELTA-P.
Nghiên cứu mô phỏng bài toán tiêu thoát nƣớc lƣu vực Tân Hoá-Lò Gốm
thuộc TP Hồ Chí Minh, bao gồm kiểm định mô hình và tính toán, phân tích các
phƣơng án công trình chống ngập bằng mô hình thủy lực cống nối ghép với kênh.

Tác giả 2 bài báo khoa học và đồng tác giả 4 bài báo khoa học liên quan đến
luận án.
Các đóng góp mới của luận án:
(1) Luận án đã xây dựng đƣợc cơ sở thuật toán và lập trình để xây dựng
đƣợc môđun P (Pipe flow) dùng trong tính toán thuỷ lực bài toán tiêu thoát nƣớc đô
thị do mƣa và triều;
(2) Kết nối môđun P với mô hình thuỷ lực sông kênh DELTA thành mô hình
DELTA-P;
(3) DELTA-P giải đồng thời bài toán mƣa trên lƣu vực, dòng chảy trong
cống và trong kênh ở vùng ảnh hƣởng triều;
(4) Các thử nghiệm cho thấy công cụ DELTA-P có thể ứng dụng tốt cho bài
toán thực tế.
Ý nghĩa khoa học:
Luận án là một phát triển mới về tính tƣơng tác đồng thời giữa dòng chảy
trong kênh sông và dòng chảy trong đƣờng ống để tính tiêu thoát nƣớc đô thị từ
mƣa hay ngập triều trên bề mặt đô thị, không trùng lặp với công trình đã có.
Xây dựng mô hình toán DELTA-P hoàn chỉnh và đã đƣợc kiểm nghiệm.
Ý nghĩa thực tiễn:
Nghiên cứu đã phát triển đƣợc một công cụ mới để giải quyết bài toán tiêu
thoát nƣớc đô thị. Công cụ này khả thi và ổn định với các bài toán lớn.


5

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN NGẬP ÖNG ĐÔ THỊ, GIẢI
PHÁP KỸ THUẬT CHỐNG NGẬP VÀ MÔ HÌNH
TÍNH TIÊU THOÁT NƢỚC
1.1 NGẬP LỤT VÀ CÁC GIẢI PHÁP CHỐNG NGẬP CHO MỘT SỐ
THÀNH PHỐ
1.1.1 Lịch sử phát triển kỹ thuật và quản lý tiêu thoát nƣớc đô thị trên thế

giới
Có thể nói rằng việc giải quyết vấn đề tiêu thoát nƣớc cho đô thị có từ ngàn
năm trƣớc. Đến những năm 1850 ở các thành phố của Anh đã có những công trình
cống tiêu thoát nƣớc rất lớn nhƣ Bazalgette ở Luân Đôn [4]. Khoảng những năm
1950-1960 có bƣớc tiến về kỹ thuật công trình là hệ thống phân tách nƣớc mƣa và
nƣớc thải sinh hoạt và công nghiệp. Từ những năm 1970 đã hình thành các cơ quan
quản lý nhà nƣớc về tiêu thoát nƣớc đô thị và thành lập những tổ chức nghiên cứu
kỹ thuật công trình tiêu thoát nƣớc đô thị nhƣ UDFCD của thành phố Denver bang
Colorado thành lập năm 1969, cơ quan quản lý của Anh và Wale thành lập năm
1974.
Đến những năm 1980 nhờ phát triển công nghệ phần cứng, phần mềm vi tính
mô phỏng hệ thống tiêu thoát nƣớc đã làm tăng hiệu quả kinh tế của các công trình
tiêu thoát nƣớc và sáng tỏ nhiều vấn đề kỹ thuật. Đến những năm 1990 thì vấn đề
quản lý chất lƣợng nƣớc thải đƣợc quan tâm giải quyết và cơ cấu tổ chức ngành
nƣớc và môi trƣờng nƣớc ở nhiều nơi đƣợc cải tổ.
1.1.2 Vài nét về tình hình ngập lụt trong và ngoài nƣớc
Ngập lụt là một trong những loại thiên tai gây nhiều thiệt hại nhất cho loài
ngƣời, từ cổ chí kim, khắp nơi trên thế giới đã phải chịu những thảm họa khốc liệt
do ngập lụt gây nên.
Ngày nay, các nhà thống kê học đã đƣa ra những con số về sự gia tăng đến
mức chóng mặt những thiệt hại do ngập lụt gây ra. Nếu nhƣ đầu thế kỷ 20, trung


6

bình mỗi năm trên thế giới, thiệt hại do ngập lụt vào khoảng 100 triệu đô la Mỹ, thì
đến nửa sau của thế kỷ con số này đã vƣợt quá 1 tỷ, trong mƣời năm trở lại đây là
trên 10 tỷ. [4]
Việt Nam là một trong số các quốc gia đang phát triển phải thƣờng xuyên đối
mặt với các đợt lũ lụt nghiêm trọng gây ra chủ yếu bởi mƣa gió mùa, bão nhiệt đới

và triều cƣờng; mức độ xảy ra khá thƣờng xuyên tại các thành phố nhƣ Hà Nội, TP
Hồ Chí Minh, Đà Nẵng và Cần Thơ. [4]
- Tại Hà Nội, ngập lụt đang là một vấn đề lớn đƣợc các cấp các ngành quan
tâm, đặc biệt trận lụt lịch sử tháng 11/2008 đã để lại tổn thất nặng nề.
- TP Huế năm nào cũng bị ngập bởi 3‚4 trận lụt, ngập sâu nhất có nơi trên 4m,
ít nhất cũng 1‚2m, làm các cung điện thành Huế xuống cấp nghiêm trọng.
- Tại TP Đà Nẵng mỗi khi có mƣa lớn lại có hơn 30 điểm bị ngập úng nặng.
- Các thành phố ở miền Tây Nam bộ nói chung và TP Cần Thơ (trung tâm
kinh tế-văn hóa của miền Tây Nam bộ) nói riêng đang gặp phải vấn nạn ngập lụt,
nhất là vào mùa nƣớc nổi.

Hình 1-1: Hình ảnh ngập úng do mƣa (trái) và do triều cƣờng (phải) ở TPHCM
- Tại TP Hồ Chí Minh, ngập lụt đang là một vấn đề hết sức bức xúc của chính
quyền và nhân dân thành phố (minh họa cảnh ngập úng Hình 1-1). Cuộc họp bàn về
giải pháp chống ngập cấp bách trên địa bàn giữa Phó Chủ tịch UBND TP HCM
Nguyễn Hữu Tín với các sở, ngành và quận huyện chiều 21/10/2014 "nóng" hẳn vì
tình hình ngập nƣớc nghiêm trọng trong những ngày giữa tháng 10 bởi tình trạng
ngập úng lại gia tăng từ 11 điểm năm 2013 lên 27 điểm năm 2014 [12]. Hiện tƣợng


7

ngập lụt ở TP Hồ Chí Minh bắt nguồn từ 3 yếu tố: lũ, triều cƣờng và mƣa lớn (Minh
họa ở bản đồ Hình 1-2). [4] Những năm gần đây tiến trình đô thị hóa diễn ra mạnh
mẽ làm cho không gian chứa lũ bị co lại, sông rạch bị bồi lấp, hệ thống tiêu, thoát
nƣớc quá tải và xuống cấp, dẫn đến cao trình triều bị đẩy lên, tốc độ truyền triều cao
hơn, thời gian lƣu triều dài hơn gây nên ngập lụt kéo dài trên diện rộng vào mùa
mƣa và triều cƣờng.

Hình 1-2: Những nguyên nhân tự nhiên gây ngập úng TP Hồ Chí Minh

1.1.3 Nguyên nhân ngập úng các thành phố
Có thể nói, ngập lụt tại các thành phố lớn trên thế giới và trong nƣớc xảy ra do
một số nguyên nhân chính sau:


8

-

Thành phố đặt tại vị trí ven sông, biển, có địa hình cốt nền thấp;

-

Do biến đổi khí hậu dẫn tới tình trạng mƣa cực đoan, nƣớc biển dâng cao
đột ngột;

-

Do lũ thƣợng nguồn đổ về;

-

Do tốc độ đô thị hóa nhanh, dẫn tới không gian chứa lũ, thoát lũ bị co hẹp
lại, lƣợng nƣớc chảy tràn tại các đô thị tăng lên.

Các trận lũ lớn tái diễn liên tục tại nhiều thành phố trên thế giới đã dẫn đến sự
ra đời của nhiều giải pháp nhằm giảm thiểu tác động của ngập lụt, bao gồm các giải
pháp công trình và phi công trình.
1.1.4 Giải pháp tổng hợp chống ngập đô thị
Giải pháp chống ngập đòi hỏi sự kết hợp toàn diện từ kế hoạch chiến lƣợc

tổng hợp, giải pháp quy hoạch đến thiết kế xây dựng và quản lý vận hành công
trình. Lấy ví dụ về Chiến lƣợc tiêu thoát nƣớc đô thị tổng hợp ở Anh quốc do các cơ
quan ngành nƣớc Anh quốc đang mong muốn xây dựng nhằm đề xuất kế hoạch tiêu
thoát nƣớc dài hạn (20 năm) nhằm tích cực, chủ động ứng phó với úng ngập và ô
nhiễm đô thị [14] trong bối cảnh nƣớc Anh liên tiếp xảy ra úng ngập nghiêm trọng
các năm 2007, 2008, 2009, 2011 và 2012. Đồng thời, nhiều khó khăn trong công tác
chống ngập úng do hệ thống tiêu thoát nƣớc đô thị xuống cấp (khoảng 70% hệ
thống đã trên 50 năm tuổi), dân số và hạ tầng tăng nhanh, nguy cơ biến đổi khí hậu
và sự phức tạp về hệ thống công trình và các tổ chức quản lý.
Để tiến tới việc xây dựng chiến lƣợc, Cơ quan chuyên trách quản lý nƣớc và
môi trƣờng Anh (CIWEM) cùng các tổ chức nghiên cứu đã tiến hành nhiều tập huấn
và hội thảo chia sẻ thông tin, khuyến cáo tới Chính phủ và các nhà quản lý và đặc
biệt là nghiên cứu phát triển các tài liệu hƣớng dẫn kỹ thuật chuyên ngành và mô
hình toán tiêu nƣớc đô thị.
Theo quan điểm chiến lƣợc tiêu nƣớc đô thị tổng hợp, việc ứng dụng của mô
hình toán nhằm: [14]


9

-

Phân tích chi tiết nguyên nhân, ảnh hƣởng và biện pháp khắc phục ngập
úng đô thị;

-

Cung cấp thông tin để hiểu rõ hơn sự tác động của các nguồn nƣớc đối
với hoạt động, vận hành của hệ thống tiêu thoát nƣớc;

-

Xây dựng kế hoạch tổng hợp phát triển hạ tầng và các công trình chống
ngập;

-

Đánh giá hiện trạng và dự báo rủi ro úng ngập;

-

Lập kế hoạch ứng phó khẩn cấp;

-

Đánh giá tác động của hệ thống tiêu nƣớc đối với hệ thống sông kênh;

-

Ứng phó biển đổi khí hậu và nƣớc biển dâng.

CIWEM phân loại các bộ mô hình thủy văn-thủy lực đô thị đƣợc phát triển
để mô phỏng các loại đối tƣợng riêng biệt hoặc đƣợc tích hợp một số đối tƣợng nhƣ
sau: [14]
-

Tƣơng tác cống ngầm-sông kênh hở;

-

Ngập lũ sông kênh-ô đồng, bãi tràn;

-

Tƣơng tác dòng chảy mặt phố-cống ngầm-sông kênh hở;

-

Tƣơng tác cống ngầm-tầng nƣớc ngầm;

-

Tƣơng tác cống ngầm-thủy triều;

Trong đó bộ các mô hình dòng chảy mặt phố-cống ngầm-sông kênh hở đƣợc
giới thiệu trong tài liệu hƣớng dẫn ứng dụng cho quản lý tiêu thoát nƣớc tổng hợp.


10

Hình 1-3: Sơ đồ các thành phần trong hệ thống thoát nƣớc đô thị và các mô hình áp dụng

Quan điểm tiếp cận mô hình hóa hệ thống tiêu nƣớc đô thị gồm: (i) Mô hình
một chiều (1D) ứng dụng cho các hệ thống có dòng chảy một chiều trong lòng dẫn
và (ii) Mô hình hai chiều (2D) ứng dụng mô phỏng hệ thống có cả dòng chảy tràn
theo hƣớng ngang. Hệ thống cống ngầm và sông kênh hở thƣờng đƣợc mô phỏng
dạng 1D. Dòng chảy tràn bề mặt phố có thể mô phỏng dạng 1D hay 2D.
Ở Việt Nam trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu chống ngập
úng đô thị với các giải pháp trạm bơm tiêu nƣớc mƣa (Hà Nội), đê bao chống lũ (Đà
Nẵng) và công trình tổng hợp (cải tạo kênh, cống ngầm, đê bao, cống ngăn triều,

trạm bơm tiêu) ở TP Hồ Chí Minh.


11

1.2 CÁC MÔ HÌNH TOÁN TÍNH TIÊU THOÁT NƢỚC ĐÔ THỊ
1.2.1 Một số khái niệm
1.2.1.1 Chu trình thuỷ văn và ảnh hưởng của đô thị hóa

Chu trình thuỷ văn đƣợc trình bày theo nhiều dạng, nhƣng tiêu chí chung đều
giống nhau là minh hoạ các bƣớc chuyển biến dòng nƣớc mƣa từ khí quyển rơi
xuống bề mặt đất và chảy ra sông biển qua các bƣớc chảy trung gian (Hình 1-1),
trong đó có thành phần bốc hơi nƣớc trở lại không khí để bắt đầu một chu trình mới.

Hình 1-4: Sơ đồ chu trình thuỷ văn lƣu vực chƣa đô thị hoá

Ở khu vực đô thị hoá chu trình thuỷ văn bị điều chỉnh khá nhiều do hệ thống
tiêu thoát nƣớc, khu trữ và điều tiết nhân tạo; bề mặt đất bị bê tông hoá làm giảm
lƣợng thấm xuống tầng nƣớc ngầm và các giếng khai thác nƣớc ngầm cho sinh hoạt
và công nghiệp hậu quả là giảm tầng nƣớc ngầm gây sụt lún đất, tăng dòng chảy
mặt gây úng ngập; lƣợng nƣớc bổ sung do nƣớc cấp, nƣớc thải. Chu trình thuỷ văn
đô thị đƣợc mô tả trong Hình 1-2 với phần hệ thống hạ tầng tiêu thoát và điều tiết
nƣớc đặc thù của đô thị là các ô màu đậm trong sơ đồ.


12

Hình 1-5: Sơ đồ chu trình thuỷ văn lƣu vực đô thị

Vai trò của lƣu vực trong tiêu thoát nƣớc đô thị: Vấn đề quan trọng liên

quan đến thuỷ văn đô thị là việc tính toán tiêu thoát nƣớc bởi bề mặt đất bị biến đổi
(bê tông hoá; san lấp hệ thống sông kênh, ao hồ) làm gia tăng dòng chảy bề mặt,
giảm lƣợng thấm và trữ.
Tính chất thủy văn lƣu vực đô thị: Lƣu vực (hay vùng tạo dòng chảy) đô thị

đƣợc phân định bởi điều kiện địa hình phân chia dòng chảy bề mặt và sự ảnh hƣởng
của địa vật tự nhiên hay do con ngƣời xây dựng nhƣ tuyến đƣờng giao thông.


13

Hình 1-6: Các đặc trƣng thủy văn của lƣu vực đô thị
Nguồn: [J.C.Y. Guo, 2006] [20]

Lƣợng dòng chảy từ mƣa do lƣu vực tạo ra phụ thuộc vào các đặc trƣng lƣu
vực nhƣ các loại hình tổn thất, tính chất đất, các khu trữ và bề mặt bê tông hóa. Sự
tập trung dòng chảy phụ thuộc vào các yếu tố nhƣ hình dạng, độ dốc lƣu vực và
thảm phủ bề mặt lƣu vực. Hình 1-3 mô tả một số đặc tính lƣu vực nhƣ:
-

Khu trữ trũng tự nhiên làm chậm dòng chảy mặt;

-

Khu điều tiết nhân tạo làm giảm lƣợng dòng chảy;

-

Đƣờng cao tốc làm cản trở dòng chảy bề mặt và có thể làm thay đổi ranh
giới lƣu vực nếu không có cống qua đƣờng;

-

Một số yếu tố khác nhƣ hệ thống cống ngầm tiêu nƣớc, địa vật bề mặt, tỷ
lệ bê tông hóa bề mặt cũng sẽ làm thay đổi tính chất dòng chảy bề mặt
lƣu vực.

Để tính toán lƣợng dòng chảy mặt lƣu vực ngoài việc xác định đúng ranh
giới lƣu vực còn phải chọn những phƣơng pháp tính toán thích hợp.

1.2.1.2 Chu trình dòng chảy trong đô thị


14

Sơ đồ Hình 1-4 diễn tả chu trình dòng chảy mƣa lũ (các mũi tên) tập trung
xuống đƣờng phố và chảy lan tràn theo các tuyến đƣờng và tập trung vào miệng hố
ga, chảy vào đƣờng cống ngầm và tiêu ra hồ trữ hay sông kênh.

Hình 1-7: Diễn biễn dòng chảy mƣa lũ trên đô thị
Nguồn: [J.C.Y. Guo, 2006]

Những năm gần đây một số cơ quan nghiên cứu khoa học và cơ quan tƣ vấn
quy hoạch đô thị sử dụng phần mềm mƣa-dòng chảy đô thị (MIKE RR), thuỷ lực
sông kênh và thủy lực đƣờng ống để mô phỏng hệ thống tiêu thoát nƣớc nhằm tìm
đƣợc các phƣơng án tiêu thoát nƣớc phù hợp. Mô hình đƣợc ứng dụng khá rộng rãi
ngoài nƣớc nhƣ SWMM, mô hình họ MIKE (MOUSE, URBAN và FLOOD) và mô
hình đang phát triển trong nƣớc nhƣ F28.