Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu đánh giá khả năng thoát nước quận cầu giấy (lưu vực sông tô lịch hà nội) và đề xuất các giải pháp cải tạo nâng cấp

i
N

L IC M
Xin chân thành c m n Ban giám hi u Tr

ng

i h c Th y l i, Phòng

t o đ i h c và sau đ i h c, Khoa K thu t qu n lý tài nguyên n
th y, cô giáo c a nhà tr

ào

c và toàn th các

ng đã giúp đ tác gi trong quá trình làm Lu n v n này

c ng nh trong su t th i gian h c t p t i tr
lòng bi t n sâu s c t i GS.TS. D

ng.

ng Thanh L

c bi t, h c tác gi xin bày t
ng, ng

i th y tr c ti p h

ng

d n khoa h c, đã h t lòng giúp đ , t n tình gi ng gi i cho tác gi trong su t quá
trình th c hi n lu n v n này.
Trong quá trình làm lu n v n, tác gi đã có c h i h c h i và tích l y thêm
đ

c nhi u ki n th c và kinh nghi m quý báu ph c v cho công vi c c a mình. Tuy

nhiên, do th i gian có h n, trình đ còn h n ch , s li u và công tác x lý s li u v i
kh i l

ng l n nên nh ng thi u sót c a Lu n v n là không th tránh kh i. Do đó,

tác gi r t mong ti p t c nh n đ

c s ch b o giúp đ c a các th y cô giáo c ng

nh nh ng ý ki n đóng góp c a b n bè và đ ng nghi p.
Tác gi c ng xin đ
ch khóa tr

c g i l i c m n t i các b n trong l p 21CTN21, các anh,

c đã đ ng viên, đóng góp ý ki n và h tr trong su t quá trình h c t p

và làm lu n v n.
Ngày 28 tháng 11 n m 2015
Tác gi

Nguy n Quang Tuy n


ii
L I CAM OAN
Tôi xin cam đoan r ng, lu n v n “ ng d ng mô hình toán đ nghiên c u
đánh giá kh n ng thoát n

c qu n C u Gi y (L u v c sông Tô L ch - Hà N i)

và đ xu t các gi i pháp c i t o - nâng c p” là công trình nghiên c u khoa h c
c a riêng tôi. Các s li u là trung th c, k t qu nghiên c u c a lu n v n này ch a
t ng đ

c s d ng trong b t c m t lu n v n nào khác mà đã b o v tr

c.

Tôi xin cam đoan m i s giúp đ cho vi c th c hi n lu n v n đã đ
n và các thông tin, tài li u tham kh o đ u đ

cc m

c ghi rõ ngu n g c trích d n.

Ngày 28 tháng 11 n m 2015
Tác gi

Nguy n Quang Tuy n

iii
M CL C
L IC M

N ............................................................................................................ i

L I CAM OAN ..................................................................................................... ii
M C L C ................................................................................................................ iii
DANH M C HÌNH V .......................................................................................... vi
DANH M C B NG BI U .................................................................................... vii
M

U ....................................................................................................................1

CH

NG I: T NG QUAN V V N

1.1 S l

c v các ph

NGHIÊN C U ...................................3

ng pháp ti p c n nghiên c u thoát n

c đô th ..............3

1.1.1 Trên th gi i.............................................................................................3

1.1.2

Vi t Nam ..............................................................................................5

1.2 Gi i thi u m t s mô hình mô ph ng thoát n

c đô th .................................7

1.2.1 Mô hình SWMM .......................................................................................7
1.2.2 Mô hình Sobek .......................................................................................10
1.2.3 Mô hình Mike Urban .............................................................................11
1.2.4 Mô hình StormNet ..................................................................................13
CH

NG II: C

THOÁT N

S

LÝ THUY T CHO MÔ HÌNH TOÁN TH Y L C

C Ô TH ........................................................................................16

2.1 C s lý thuy t cho mô hình toán th y l c .....................................................16
2.1.1 Mô hình th y l c Mike Urban .................................................................16
2.1.2 Mô hình th y l c SWMM.........................................................................18
2.2 L a ch n mô hình toán mô ph ng m a dòng ch y ........................................23
2.3 D li u đ u vào mô hình m a SWMM ..........................................................25
2.3.1 D li u đ u vào .......................................................................................25

2.3.2 Hi n tr ng tuy n c ng .............................................................................26
2.3.3 Cao đ san n n ........................................................................................28
2.3.4 L

ng m a ..............................................................................................29


iv
CH

NG III: MÔ PH NG HI N TR NG H

L U V C SÔNG TÔ L CH TRÊN

C

A BÀN QU N C U GI Y ..................31

3.1 Gi i thi u v l u v c nghiên c u thoát n
3.2 Hi n tr ng thoát n

TH NG THOÁT N

c Qu n C u Gi y .....................31

c Qu n C u Gi y (l u v c sông Tô L ch) ...................37

3.2.1 Hi n tr ng h th ng thoát n

c .............................................................37

3.2.2 Hi n tr ng h trong khu v c ..................................................................38
3.2.3 Tình tr ng ng p úng trong vùng ............................................................39
3.3 Thi t l p mô ph ng tính toán thoát n

c ......................................................45

3.3.1 Tính toán, l a ch n mô hình m a thi t k .............................................45
3.3.2 Mô ph ng hi n tr ng h th ng b ng SWMM ........................................50
3.3.3 K t qu mô ph ng ..................................................................................53
3.4
CH

ánh giá kh n ng làm vi c c a h th ng ....................................................54
NG IV:

THOÁT N
4.1

XU T PH

NG ÁN C I T O, NÂNG C P H TH NG

C QU N C U GI Y .....................................................................55

xu t các ph

4.1.1 Theo ph

ng án c i t o, nâng c p h th ng thoát n

ng pháp c

c .....................55

ng đ gi i h n ..................................................55

4.1.2 Theo mô hình SWMM ............................................................................62
4.2 Mô ph ng các ph

ng án đ xu t .................................................................62

4.2.1 Ph

ng án không có h đi u hòa ..........................................................62

4.2.2 Ph

ng án có h đi u hòa .....................................................................63

4.2.3 Nh n xét chung ......................................................................................64
4.3

xu t gi i pháp qu n lý đi u hành h th ng thoát n

c............................64

4.3.1 D báo úng ng p ...................................................................................65
4.3.2 Xây d ng k ho ch thoát n

c ..............................................................65

4.3.3 Quan tr c và qu n lý thông tin d li u ..................................................66
K T LU N VÀ KI N NGH ................................................................................67
TÀI LI U THAM KH O ......................................................................................68
PH L C .................................................................................................................69
Ph l c 1: Th ng kê di n tích các tuy n c ng ......................................................69


v
Ph l c 2: Tính toán th y l c các tuy n c ng ......................................................76
Ph l c 3: K t qu tính toán theo ph

ng pháp c

ng đ gi i h n .....................80

Ph l c 4: K t qu mô ph ng b ng mô hình SWMM ..........................................83
Ph l c 5: Tr c d c m t s tuy n c ng...............................................................120


vi
DANH M C HÌNH V
Hình 2.1: S đ minh h a m c n

c

các b

c th i gian ti p theo .......................18

Hình 2.2: Cao đ hi n tr ng c a khu v c nghiên c u ...............................................29
Hình 3.1: B n đ gi i h n khu v c nghiên c u ........................................................32
Hình 3.2: Các ph

ng ti n ùn

trên đ

ng Xuân Th y ..........................................40

Hình 3.3: M a l n gây ùn t c gi cao đi m..............................................................41
Hình 3.4: M a l n gây ng p trong khuôn viên tr
Hình 3.5: M a l n gây ùn t c trên đ

ng

i h c Qu c gia ................41

ng vành đai 3 ...............................................42

Hình 3.6: Các công nhân túc tr c t i đi m ng p .......................................................42
Hình 3.7: Mô hình m a thi t k tr n m a 3h max, t n su t 2 n m ..........................48
Hình 3.8: Mô hình m a thi t k tr n m a 3h max, t n su t 10 n m ........................48
Hình 3.9: Mô hình m a thi t k tr n m a 24h max, t n su t 2 n m ........................49
Hình 3.10: Mô hình m a thi t k v i tr n m a 24h max, t n su t 10% ...................49
Hình 3.11: Khai báo các thông s m c đ nh trong SWMM......................................51
Hình 3.12: Các thông s c b n trong SWMM ........................................................52
Hình 3.13: S đ mô ph ng khu v c nghiên c u .....................................................52
ng quan h v l

Hình 3.14:

Hình 4.1: S h a ch

ng n

c c a l u v c ng v i tr n m a 24h max 54

ng trình tính toán th y l c.....................................................58

Hình 4.2:

ng quan h l

ng n

cph

ng án 1 ..................................................63

Hình 4.3:

ng quan h l

ng n

cph

ng án 2 ..................................................64

ng n

c đ n t i nút D0 và F0 ph

Hình PL 4.1: T

ng quan l

Hình PL 4.2: Quan h l
Hình PL 4.3: T

ng n

ng quan l

Hình PL 4.4: Quan h l

c đ n và ng p t i nút B1 ph

ng n

ng n

c đ n t i nút D0 và F0 ph

c đ n và ng p t i nút B1 ph

ng án 1 .............118
ng án 1 ................118
ng án 2 .............119

ng án 2 ................119

Hình PL 5.1: Tr c d c tuy n c ng đ

ng Hoàng Qu c Vi t (đo n 1) ...................120

Hình PL 5.2: Tr c d c tuy n c ng đ

ng Hoàng Qu c Vi t (đo n 2) ...................120

Hình PL 5.3: Tr c d c tuy n c ng đ

ng Tr n Qu c Hoàn – Tô Hi u ..................121

Hình PL 5.4: Tr c d c tuy n c ng đ

ng C u Gi y...............................................121

Hình PL 5.5: Tr c d c tuy n c ng đ

ng Nguy n Khánh Toàn ............................122


vii
DANH M C B NG BI U
B ng 2.1: B ng th ng kê các tuy n c ng hi n tr ng .................................................26
B ng 2.2: B ng t ng h p kích th
B ng 2.3: Th ng kê l
B ng 3.1: L

ng m a t

c c ng hi n tr ng ..............................................28

ng m a t i tr m Láng ..........................................................29
ng ng v i t n su t tính toán ...........................................46

B ng 3.2: Giá tr các tham s c a đ

ng DDF .........................................................46

B ng 3.3: Th ng kê di n tích các ti u khu ................................................................50
B ng 3.4: Th ng kê các nút ng p v i tr n m a 24h max, t n su t 2 n m ................53
B ng 4.1: H s dòng ch y .......................................................................................56
B ng 4.2: Th ng kê tuy n c ng theo ph

ng pháp c

ng đ gi i h n ....................59

B ng 4.3: T ng h p chi u dài các tuy n c ng làm l i theo ph

ng pháp c

ng đ

gi i h n ......................................................................................................................61
B ng 4.4: K t qu tính toán ph

ng án không có h đi u hòa .................................62

B ng 4.5: K t qu tính toán ph

ng án h đi u hòa .................................................63

B ng PL3.1: B ng so sánh k t qu tính theo ph
B ng PL3.2: B ng t ng h p kh i l

ng pháp c

ng đ gi i h n ........80

ng c ng làm l i ..............................................82

B ng PL4.1: K t qu mô ph ng l u v c thoát n

c hi n tr ng ...............................83

B ng PL4.2: K t qu mô ph ng l u v c thoát n

c ph

ng án 1 .........................100

B ng PL4.3: K t qu mô ph ng l u v c thoát n

c ph

ng án 2 .........................109

1

M
I. TÍNH C P THI T C A
H th ng thoát n

U

TÀI

c qu n C u Gi y l u v c sông Tô L ch – Hà N i là m t

ph n quan tr ng trong toàn b h th ng thoát n

c chung thành ph Hà N i.

Trong nh ng n m g n đây do quá trình phát tri n kinh t - xã h i, t c đ đô th
hoá nhanh, nhi u d án l n đã đang tri n khai và s p tri n khai. Nhi u khu đô th ,
khu dân c hình thành nhanh chóng kéo theo s thay đ i v nhu c u thoát n

c

trong khu v c. Các khu đô th , khu dân c m i hình thành làm thu h p đ t s n xu t
nông nghi p, san l p nhi u ao h , đ ng ru ng, làm gi m kh n ng tr n
n

c d n đ n làm t ng h s tiêu n

c, chôn

c.

M t khác, tình hình th i ti t càng ngày càng di n bi n ph c t p khó d đoán.
H th ng thoát n
thoát n

c chung lâu n m đã xu ng c p, b b i l ng làm thu h p ti t di n

c d n đ n ph i th

do đó không th đáp ng đ

ng xuyên duy trì n o vétgây t n kèm nhi u kinh phí,...
c yêu c u thoát n

c hi n t i c ng nh t

ng lai.

Vì v y vi c nghiên c u đánh giá c ng nh mô ph ng, h th ng thoát n

ckhi

xét đ n h đi u hòa nh m t o các c s khoa h c đ đ xu t các gi i pháp c i t o,
nâng c p h th ng thoát n

c qu n C u Gi y l u v c sông Tô L ch – Hà N i là h t

s c c n thi t và có ý ngh a th c ti n.

II. M C ÍCH NGHIÊN C U C A
-

TÀI

Mô ph ng, đánh giá th c tr ng kh n ng thoát n

c c a h th ng thoát n

c

qu n C u Gi y(l u v c sông Tô L ch – Hà N i) có xét đ n h đi u hòa.
xu t các gi i pháp c i t o, nâng c p h th ng nh m đáp ng yêu c u thoát

n
III.
1.

c đô th trong t

IT
it

ng lai.

NG VÀ PH M VI NGHIÊN C U
ng nghiên c u

Khu v c qu n C u Gi y (l u v c sông Tô L ch – Hà N i).
2. Ph m vi nghiên c u

H th ng thoát n

c qu n C u Gi y(l u v c sông Tô L ch - Hà N i)


2
IV. CÁCH TI P C N VÀ PH

NG PHÁP NGHIÊN C U

1. Cách ti p c n
-

Ti p c n th c t :
thoát n

-

i kh o sát, nghiên c u, thu th p các s li u c a h th ng

c.

Ti p c n h th ng: Ti p c n, tìm hi u, phân tích h th ng t t ng th đ n chi
ti t, đ y đ và h th ng.

-

Ti p c n các ph

2. Ph

ng pháp nghiên c u m i v thoát n

ng pháp nghiên c u

-

Ph

ng pháp đi u tra, kh o sát th c đ a.

-

Ph

ng pháp k th a.

-

Ph

ng pháp phân tích, th ng kê

-

Ph

ng pháp mô hình toán.

-

Ph

ng pháp mô hình th y v n, th y l c

c đô th trên th gi i.


3
CH
1.1 S l

NG I: T NG QUAN V V N

c v các ph

NGHIÊN C U

ng pháp ti p c n nghiên c u thoát n

c đô th

1.1.1 Trên th gi i
Hi n nay dân s th gi i s ng trong các thành ph l n ngày càng t ng nhanh.
áp ng nhu c u đó, di n tích đ t đô th c ng ngày càng gia t ng, trong khi đó c
s h t ng v c p thoát n

c cho đô th không đáp ng k p th i. Hi n nay trên th

gi i nhi u thành ph l n v n đang b úng ng p và l l t đe d a. Các chuyên gia v

quy ho ch và thoát n
nh t đ đ

c đô th trên th gi i đã t h n 30 n m nh n ra r ng cách t t

ng đ u v i ng p l t trong đô th không ph i là xây thêm tr m b m, đ p

thêm đê hay l p đ t thêm c ng mà chúng ta c n thêm không gian cho n

c.

ó là

gi i pháp b n v ng h n khi không làm bi n đ i dòng ch y đ t ng t nh xây đ p,
đ p đê hay tôn n n công trình. Gia t ng không gian cho m t n

c và cây xanh t

nhiên không ch làm gi m nguy c ng p l t mà còn t o c nh quan cho đô th .
G n đây Ngân hàng th
“H

gi i đã nghiên c u và đ a ra cu n c m nang

ng d n qu n lý t ng h p r i ro ng p l t đô th trong th k 21”. Theo c m

nang này, gi i pháp hi u qu nh t đ qu n lý nguy c l l t là áp d ng ph

ng pháp

ti p c n t ng h p, trong đó k t h p c hai bi n pháp c u trúc và phi c u trúc, bao
g m xây d ng h th ng kênh thoát n
ng p n

c và vùng đ m môi tr

c và d nl ; k t h p “đô th xanh” nh đ t

ng; xây d ng h th ng c nh báo l l t; quy ho ch

s d ng đ t đ ch ng ng p l t.
i h c Qu c gia Singapore (NUS) v i ý t
th m th u cho nh ng con đ

ng nghiên c u: áp d ng các b m t

ng nh và v a hè nh m ng n ch n tình tr ng l l t c c

b t i đô th b ng cách làm ch m l i dòng n

c đ vào c ng rãnh sau m a l n.Nh ng

b m t th m th u có m t l p bêtông r và m t l p s i. Kho ng 30-40% kho ng tr ng
gi a l p bê tông và s i này đ
v i th m th u tr

c khi đ

trình này có th giúp tr s n

c dùng đ tích n
c x qua nh ng đ

c, sau đó n

c s ch y qua m t l p

ng nh đ vào c ng. Toàn b quá

c m a đ xu ng trong vài gi .


4
Ngoài vi c áp d ng nh ng ý t ng nghiên c u trên th gi i chúng ta c ng nên đi
sâu tìm hi u kinh nghi m đ i phó v i ng p l t các thành ph l n trên th gi i t
đây đúc rút ra đ

cýt

ng nghiên c u phù h p v i đô th

Vi t Nam nh :

Nh t B n đ phòng ch ng l t l i, Nh t B n đã xây d ng h th ng c ng
ng m d n n c l l n nh t th gi i thành ph Saitama, g n Tokyo, vào n m 1992.
Theo Weird Asia News, công trình bao g m 5 gi ng đ ng bê tông l n, cao 65 m,
r ng 32 m, n i li n v i nhau b ng h th ng đ ng h m dài 6,4 km, n m sâu 50 m
tính t m t đ t. Các ki n trúc s c ng xây 59 c t bê tông c t thép giúp ch ng đ
tr ng l

ng tr n nhà. N

cl đ

c hút vào các gi ng và x ra sông Eldo.

Anh th đô London r t d ng p l t, đ c bi t khi nh ng c n bão m nh khi n
n c sông Thames dâng cao. Tuy nhiên, ng i dân London có th yên tâm nh
công trình đê ch n n c trên sông Thames mang tên Thames Barrier, b t đ u đi vào
ho t đ ng t n m 1982. Skift đ a tin, công trình dài n a kilomet, bao g m 10 c ng
thép cao b ng tòa nhà 5 t ng. Theo C quan Môi tr

ng Anh, h th ng ng n l này

s t n t i đ n n m 2070.
Hà Lan theo The Guardian, Hà Lan đ c coi là m t trong nh ng qu c gia đi
đ u v l nh v c phòng ng a l l t. Không ch t o ra nh ng con kênh ch ng ch t đ
d n n c, chính ph Hà Lan còn xây d ng h th ng rào ch n ng n l
Maeslantkering, bao g m các đ p n
không gây c n tr giao thông đ

c di đ ng v a giúp ng n l hi u qu v a

ng th y.

Hay qu c gia thu c khu v c ông Nam Á là Campuchia sau tr n l l ch s
vào tháng 11/2011 khi n nhi u khu v c t nh Siem Reap b ng p l t n ng n . D i
s ch đ o c a B Tài nguyên n c và Khí t ng Campuchia, chính quy n t nh đã
xây d ng m t đ p n c đ n th Ta Soum đ ng n l t l i.
ng th i, ng i dân

đ a ph

ng c ng đ

ch

ng d n xây móng nhà cao h n, làm l i đ

ng làng và

d ng nh ng con đ p nh .Sau này, dù ph i h ng ch u nhi u đ t m a l n và liên t c,
Siem Reap không còn b ng p l t, do n
Sap

c m a có th thoát nhanh vào h Tonle

g n đó.
Trên là m t s gi i pháp và kinh nghi m thoát n

tri n khai trên th gi i, t t c đ u h

c đang đ

c nghiên c u và

ng đ n vi c xây d ng gi i pháp thoát n

b n v ng(SUDS). Vi c áp d ng các gi i pháp thoát n
mô hình, c th mô hình mô ph ng thoát n

cđ

c

c xây d ng d a trên

c đô th . Hi n trên th gi i, nghiên c u


5
thoát n

c đô th đã có nhi u thành t u và đ

c phân theo các h

ng nh bán kinh

nghi m, th c nghi m, mô hình.v.v Các mô hình mô ph ng thoát n
s trên vi c s đ hóa m t hay nhi u chi u.

cđ

cđ tc

ây là nh ng mô hình th y l c, th y

v n đ ng l c h c mô ph ng m a dòng ch y, d báo l , t i u hóa h th ng thoát
n

c... Mô ph ng th

ng đ

c th c hi n trên c s c a chuy n đ ng n

c và bùn,

phát tán và các quá trình hóa h c.
Trong l nh v c mô hình hóa, ngay t nh ng n m 1930, các nhà khoa h c đã c
g ng tìm hi u m i quan h gi a y u t v t ch t trong quá trình chuy n đ ng đã
thành công v i nh ng nghiên c u c a Bagnold, (1936, 1937) và sau đó đ

c phát

tri n b i Einstein (1950). M t trong nh ng công trình nghiên c u đ u tiên liên quan
đ n mô hình v n chuy n v t ch t trong ch t l ng đ

c Eistein và Chien xây d ng

n m 1955.
Nhi u mô hình th

ng m i mô ph ng thoát n

c trên c s k t h p gi a mô

hình th y đ ngl c và mô hình v n chuy n và khu ch tán v t ch t đã đ
Các mô hình thoát n

c hi n nay th

c xây d ng.

ng dùng bao g m: Sobek, Mike

Urban,Stormnet,SWMM .
1.1.2
N

Vi t Nam
c ta n m trong khu v c nhi t đ i gió mùa m

1000 - 2000 mm/n m. L
c

tv il

ng m a trung bình

ng m a t p trung h u h t vào các tháng mùa m a v i

ng đ m a l n và có s bi n đ ng m ng theo không gian, nguyên nhân gây ra là

do bão, áp th p nhi t đ i, dông…
C ng nh

các đô th khác trên th gi i, các đô th

m nh, dân s t ng nhanh; đ c bi t là sau ngày đ t n

Vi t Nam phát tri n

c th ng nh t. Nhu c u v nhà

c a các thành ph đã tr thành v n đ l n c a xã h i. S c i n i, m r ng t phát,
l n chi m đ t đai, các h th ng d n n
l p. Bên c nh đó, h th ng tiêu thoát n

c có nhi u đo n b thu h p, h ao b san
c đã đ

c xây d ng t lâu, nhi u đo n

không còn giá tr s d ng, qu n lý v n hành y u, thi u kinh phí tu b … làm cho
hi n t

ng úng ng p th

ng xuyên x y ra khi mùa m a đ n.


6
V i nhi u thành t u c a công cu c đ i m i, m ng l
đang ngày càng đ

c phát tri n m

i các đô th c a Vi t Nam

r ng và th c s

tr

thành đ ng l c

chính thúcđ y phát tri n kinh t . C ng nh các đô th khác trên th gi i, s phát
tri n đô th t i Vi t Nam c ng đang b c l nhi u h n ch và y u kém v h t ng k
thu t và ô nhi m môi tr

ng. Nhi u công trình h t ng k thu t nói chung đang

tình tr ng xu ng c p, vi c đ u t xây d ng m i còn ch m và ch a đáp ng nhu c u.
H th ng thoát n
n

c th i, n

c c a các đô th t i Vi t Nam th

c m a, h th ng này h u h t đ

nhau, ch t l

ng chung cho t t c các lo i

c xây d ng qua nhi u th i k khác

ng quy ho ch còn ch a cao, ch a hoàn ch nh, thi u đ ng b trong đó

có nhi u tuy n c ng xu ng c p nên kh n ng tiêu thoát n
nh ch a đ

c th p. N

c th i h u

c x lý x th ng vào ngu n ti p nh n.

Trong nh ng n m g n đây đ c bi t là các đô th l n nh Hà N i, thành ph
H Chí Minh,

à N ng, C n Th … ng

i dân luôn ph i đ i m t v i tình tr ng

úng ng p khi g p nh ng tr n m a l n, ho c n

c thu tri u dâng.

Vi t Nam, đ n nay đã có m t s nghiên c u tính toán cho thoát n
s d ng các mô hình mô ph ng thoát n

c đô th

c nh :

- Lu n v n th c s “Nghiên c u c i t o và m r ng h th ng thoát n

c

thành ph H i An đ n n m 2020” c a tác gi Hu nh Vi t Bi - Ki m tra k t qu tính
toán thoát n

c m a b ng mô hình th y l c SWMM.

- Lu n v n “Nghiên c u c i t o quy ho ch h th ng thoát n

à N ng” c a tác gi Nguy n Thi n - Tính toán dòng ch y

khuê trung, thành ph

trong đô th , môhình qu n lý n
-

c khu dân c

c m a b ng SWMM

án “Quy ho ch khu dân c Ph

c M Trung đ n n m 2020” có áp d ng

mô hình k t h p mô hình Autocad civil 3D - Stormnet đ thi t k tính toán và qu n
lý m ng l

i thoát n

c m a.

- Hay vi c s d ng mô hình SOBEKđã đ
thu c các l u v c sông
SOBEK đã đ
Ngãi)...

c ng d ng trong các nghiên c u

Hà Lan, Bangladet, Australia… và m i đây (n m 2003)

c áp d ng cho hai khu v c Trà B ng và Trà Khúc (thu c t nh Qu ng


7
1.2 Gi i thi u m t s mô hình mô ph ng thoát n

c đô th

1.2.1 Mô hình SWMM
Mô hình qu n lý n
m t do n

c m t SWMM c a Epa là mô hình đ ng l c h c dòng ch y

c m a t o nên, dùng đ mô ph ng dòng ch y m t th i đo n ho c dòng

ch y nhi u th i đo n (th i gian dài) c v l

ng và ch t. SWMM ch y u đ

c

dùng cho các đô th .Thành ph n Runoffc a SWMM đ c p đ n m t t h p các ti u
l u v c nh n l

ng m a (k c tuy t), t o thành dòng ch y và v n chuy n ch t ô

nhi m. Ph n mô ph ng dòng ch y tuy n c a SWMM đ c p đ n s v n chuy n
dòng ch y n
đi u ti t n
kh i l

c m t qua m t h th ng các ng, các kênh, các công trình tr ho c
c, các máy b m và các công trình đi u ch nh n

ng và ch t l

ng c a n

c trong m i đ

th i gian mô ph ng bao g m nhi u b

c.SWMM xem xét

ng ng và kênh d n trong su t

c th i gian.

SWMM ra đ i b t đ u t n m 1971 và đ n nay đã tr i qua m t s l n nâng c p
l n, SWMM luôn luôn đ

c s d ng r ng rãi kh p th gi i cho các công tác quy

ho ch, phân tích và thi t k liên quan đ n dòng ch y do n
l

i thoát n

c m a, m ng l

i thoát n

c m a, bao g m m ng

c th i và các h th ng tiêu n

c khác

trong các vùng đô th , trong đó c ng có th bao g m c nh ng di n tích không ph i
là đ t đô th . Ch y d

i WinDows, SWMM 5 t o ra m t môi tr

ng hòa h p cho

vi c so n th o s li u đ u vòa c a vùng nghiên c u, ch y các mô hình th y l c và
ch t l

ng n

c, xem k t qu

tiêu và h th ng đ

nhi u d ng khác nhau. Có th quan sát b n đ vùng

ng d n theo mã màu, xem các dãy s theo th i gian, các b ng

bi u, hình v m t c t d c tuy n d n n
Phiên bàn m i nh t c a SWMM đ
nguyên n

c và các phân tích xác su t th ng kê.
c xu t trình b i phòng C p thoát n

c và Vi n nghiên c u qu n lý r i ro qu c gia, C c b o v môi tr

c,tài
ng

Hoa K , v i s giúp đ t công ty t v n CMD Inc.
Mô hình SWMM mô ph ng các d ng m a th c t trên c s l
đ quá trình m a hàng n m) và các s li u khí t

ng m a (bi u

ng đ u vào khác cùng v i h

th ng mô t (l u v c, v n chuy n, h ch a / x lý) đ d đoán các tr s ch t l
và kh i l

ng dòng ch y.

ng


8

Hình 1.1: Các kh i x lý chính trong mô hình SWMM
Các modun c a mô hình:
Kh i “dòng ch y” (Runoff block) tính toán dòng ch y m t và ng m d a trên
bi u đ quá trình m a (và/ho c tuy t tan) hàng n m, đi u ki n ban đ u v s d ng
đ t và đ a hình.
Kh i “truy n t i” (Transport block) tính toán truy n t i v t ch t trong h th ng
n

c th i.
Kh i “ch y trong h th ng” (Extran block) di n toán th y l c dòng ch y ph c

t p trong c ng, kênh…
Kh i “Tr /x lý“ (Strorage/Treatment block) bi u th các công trình tích n
nh ao h …và các công trình x lý n
thi t b đi u khi n d a trên l u l
c ng đ

c th c hi n.

c th i, đ ng th i mô t

ng và ch t l

ng - các

nh h

c

ng c a các

c toán chi phí c b n


9
Kh i “nh n n

c” (Receiving block) Môi tr

ng ti p nh n.

M c đích ng d ng mô hình toán SWMM cho h th ng thoát n

c đ

c tri n

khai nh m:
-

Xác đ nh các khu v c c n xây m i ho c m r ng c ng thoát n

tình tr ng ng p l t đ

ng ph ho c cung c p d ch v thoát n

c đ gi m

c th i cho nh ng khu

v c m i phát tri n.
c tính l u l

-

ng n

c l trong kênh và các chi l u đ xác đ nh v trí c a

kênh c n c i thi n nh m gi m thi u tình tr ng tràn b .
-

Cung c p công c quy ho ch đ đánh giá vi c th c hi n các c ng ch n

dòng d c kênh.
Nh ng ng d ng đi n hình c a SWMM:
- Thi t k và b trí các thành ph n c a h th ng tiêu đ ki m soát l .
- B trí các công trình tr n
ki m soát l và b o v ch t l

ng n

c(đi u hòa n

c) và các thi t b c a chúng đ

c.

- L p b n đ ng p l t c a các h th ng kênh t nhiên.
- V ch ra các ph
n

ng án làm gi m hi n t

ng ch y tràn c a m ng l

i thoát

c h n h p.
-

ánh giá tác đ ng c a dòng ch y tràn vào và dòng th m lên s ch y tràn

c a h th ng thoát n

c th i

- T o ra hi u ng c a BMP đ làm gi m s t i ch t ô nhi m khi tr i m a.
u nh

c đi m SWMM:
u đi m:

+

- SWMM có th tính toán đ
- Ch

ng trình nh , mi n phí ít t n tài nguyên máy, giao di n thân thi n d

s d ng v i ng

i dùng.

- K t qu mô ph ng t
-

c nhi u quá trình và mô ph ng th y l c linh ho t

ng đ i chính xác, đã đ

c ki m đ nh trong th c t

ây là ph n m m mi n phí, có th download tr c ti p trên m ng.


10
- L

ng ng

i s d ng đông, thu n l i trong quá trình xây d ng c s d

li u và trao đ i thông tin v i nhau.
+ Nh

c đi m:

- Không có s liên k t v i các mô hình khác, trong vi c xây d ng c s d
li u và xu t k t qu , do v y k t qu th hi n ch a chi ti t.
- Không mô ph ng đ

c hai chi u, t o đ

c b n đ ng p l t, do v y đ i v i

các yêu c u th hi n b n đ v trí ng p thì ph n m m ch a th c hi n đ

c.

1.2.2 Mô hình Sobek
Tính n ng c b n:
B mô hình 1D/2D Sobek là m t b mô hình m nh m đ d báo l , t i u hóa
h th ng thoát n
dòng n

c, đi u khi n h th ng d n n

c l , hình thái sông, ng p m n và ch t l

ch c trách, các hãng nghiên c u và các tr

c, thi t k c ng thoát n
ng n

c m t.

c cho

h tr các nhà

ng đ i h c trên toàn th gi i, Deltares

đ a ra m t b mô hình tích h p s n g i là Sobek. ây là b mô hình m nh m đ d
báo l , t i u hóa h th ng thoát n
thoát n

c cho dòng n

c, đi u khi n h th ng d n n

c, thi t k c ng

c l , hình thái sông, xâm nh p m n và ch t l

ng n

c

m t. Sobekcó th mô ph ng t t c các v n đ qu n lý trong khu v c sông và h
th ng c a sông, h th ng d n n
Kh n ng c a ch

c và thoát n

c, h th ng n

c th i và n

c m a.

ng trình:

Mô hình cho phép b n mô ph ng s t

ng tác c a n

c và các quá trình n

c

có liên quan trong th i gian và không gian. B ph n m m h u nh đã s d ng đ
mô hình hóa h th ng n

c tích h p qu n lý n

đ nh chính sách. Sobek bao g m m t s ch
đ

c, thi t k , lên k ho ch và ho ch

ng trình th nghi m và đã xác nh n,

c liên k t và tích h p v i nhau.
u nh
+
-

c đi m Sobek:
u đi m:
Sobek đ
ra ngay d

c thi t k tích h p v i giao di n GIS. K t qu tính toán đ
i d ng b n đ ng p l t ho c phân b tr

ng v n t c.

c xu t


11
-

Ph n m m có kh n ng cho phép mô ph ng h th ng theo th i gian th c
(Real Time Control - RTC) d a các các s li u, đo đ c quan tr c trên h
th ng và đ

c c p liên t c giúp qu n lý, giám sát v n hành các công trình

khai thác h th ng Tài nguyên n
-

c m t cách t t nh t.

G m nhi u modul đ n l , đáp ng cho các yêu c u khác nhau trong tính
toán.

+ Nh
-

c đi m:

V i bài toán l n, ph c t p ph n m m m t nhi u th i gian x lý.
ây là ph n m m th

đ

c ph n m m th

ng m i, khó download.

Vi t Nam đ

c ti p c n

ng là thông qua vi c h tr th c hi n các d án do phía

Hà Lan tài tr
-

Giao di n ch a thân thi n, v i ng

i s d ng l n đ u s g p nhi u khó kh n.

-

Vi c nh p d li u đ u vào ch a đ

c t i u, v i bài toán có nhi u m t c t s

khó kh n trong trong vi c nh p. V i m ng l

i l n, vi c di chuy n đ n các

v trí khác nhau g p nhi u khó kh n.
1.2.3 Mô hình Mike Urban
Mike Urban là ph n m m l p mô hình c p thoát n
ho t cao, tính m , đ
qu

c tích h p v i h th ng GIS, s d ng mô hình tính toán hi u

n đ nh và tin c y v khoa h c. Mike Urban có th tính toán và mô ph ng toàn

b m ng l
n

c đô th , kh d ng, đ linh

in

c m a và n

c trong thành ph bao g m h th ng c p n

c, h th ng thoát

c th i trong m t h th ng thoát th i g p ho c riêng bi t. M t s

ng d ng đi n hình c a ph n m m Mike Urban:
L p mô hình H th ng thoát n

c:

-

L p mô hình h th ng thoát n

c th i và n

c m a.

-

Qu n lý h th ng n

-

L p k ho ch t ng th thoát n

-

D báo ng p l t c c b (v trí ng p và m c đ ng p).

-

Phân tích h th ng thoát th i g p (SCOs) và h th ng riêng bi t (SSOs).

c th i.
c.


12

-

ánh giá kh n ng ch u t i c a h th ng c ng và nh ng đi m b t c ngh n
c tính l

ng v n chuy n bùn cát và b i l ng trong h th ng c ng.

-

Phân tích ch t l

ng n

c và các v n đ bùn cát

-

T i u hoá và thi t k các gi i pháp v n hành theo th i gian th c (Real-Time
Control Solution)

-

L p mô hình theo th i gian th c (RTC Model) nhúng trong các gi i pháp v n
hành theo th i gian th c (RTC Solution)

L p mô hình H th ng c p n
-

Qu n lý áp l c n

c:

c và áp l c khu v c

c tính nhu c u n

c t i nút c p

-

Phân tích l u l

ng dòng ch y và áp l c trong đ

-

D báo tu i c a n

-

D báo s lan truy n và xác đ nh v trí c a các ch t ô nhi m có trong n

c và hàm l

ng ng dành cho c u ho

ng clo trong ng

-

L p k ho ch d phòng và đánh giá r i ro

-

L p quy mô và tính toán kích th

c

c h ch a, b ch a

Các modun c a mô hình:
H th ng thoát n

c d a trên 2 lõi tính toán l p mô hình là MOUSE-HD và

SWMM5. G m có các Module con:
-

CS – PipeFlow: Mô ph ng dòng ch y không n đ nh trong ng và kênh d n.

-

CS – Control:

c xem là có kh n ng v n hành giám sát theo th i gian

th c các đ p tràn, c a x , máy b m…Nó cho phép mô t ho t đ ng c a các
thi t b đi u khi n và đ a ra lô gic rõ ràng v cách th c v n hành c a thi t b
đi u khi n.
-

CS – Rainfall-Runoff: Mô ph ng l

ng m a – dòng ch y theo th i gian

trong khu v c, theo sóng đ ng l c, h ch a tuy n tính…
-

CS – Pollution Transport: Mô ph ng s lan truy n và khu ch tán các ch t ô
nhi m trong đó có c bùn cát. Bao g m c l p mô hình ch t l
l p mô hình lan truy n các ch t ô nhi m t n

ng n

c khi

c m t xu ng h th ng th i.

13
CS – Biological Processes: Mô ph ng ch t hoá h c và ti n trình sinh h c c a

-

h th ng b ô nhi m ho c h th ng g p
u nh
+

c đi m Mike Urban:
u đi m:

-

Là ph n m m th

ng m i nên ph n giao di n r t m nh, h u hi u.

-

Ph n k t n i v i công c GIS r t m nh k c t o database (m c dù ph i c n
thêm các ph n m m GIS nh Arc View, ArcGis,…)

-

Các ti n ích đ y đ , d cho ng

-

Thu n ti n cho vi c gi i quy t các bài toán v a và nh

+ Nh
-

i s d ng.

c đi m:
Không bi t đ
ng

c ph n lõi (ph n thu t toán, t ch c ch

ng trình,…) nên

i s d ng không th c i biên, c p nh t mà ph i qua n i bán, khi đó ph i

tr thêm ti n và m t th i gian ch đ i.
-

Khi ph i tính các bài toán l n thì đòi h i nhi u th i gian tính trên máy,
không thu n ti n cho giai đo n ch y và hi u ch nh vì ph i ch y r t nhi u l n
m i hi u ch nh đ

-

c m t tham s nên t n nhi u th i gian.

chính xác c a k t qu tính, đ c bi t cho các bài toán lan truy n ch t nhi u

khi không đ m b o do b n ch t thu t toán đ

c s d ng (khu ch tán s d n

đ n n ng đ âm ho c n ng đ sát biên l n h n biên khi không có ngu n
trong mi n).
-

Các phiên b n sau hi n đ i h n các phiên b n tr
cho các phiên b n c đ đ c đ

c k t qu c a phiên b n cao h n. M i l n cài

đ t phiên b n m i kéo theo r t nhi u ch
-

Vì là ph n m m th

c nh ng ch a có s h tr

ng trình ph i cài đ t l i.

ng m i nên giá thành r t đ t.

1.2.4 Mô hình StormNet
StormNeT là m t mô hình th y l c, th y v n đ ng l c h c hoàn toàn đ y đ đ
có th phân tích cho c h th ng thoát n

c m a đ n gi n và h th ng thoát n

m a ph c t p. StormNeT có th s d ng cho:

c


14

-

H th ng tiêu thoát n
rãnh thoát n

c trên đ

ng giao thông (g m các c a thu

c m a).

-

M ng l

-

Thi t k thoát n

-

T đ ng hóa quá trình xác đ nh kích th

i thoát n

công trình x n
-

c m a, n

c th i và k t h p v i h đi u hòa.

c phân vùng.
c và thi t k h đi u hòa và các

c.

Mô ph ng c u qua sông, c ng qua đ
đ

bó v a và

ng, bao g m c s ch y tràn trên m t

ng.

-

Phân tích ch t l

-

H th ng thu gom n

thoát n

ng n

c.
c th i sinh ho t, tr m b m nâng n

c chung) và SSO(h th ng thoát n

c, CSO (h th ng

c riêng).StormNeT là mô hình

duy nh t k t h p các mô hình th y l c, th y v n ph c t p v i nhau vànghiên
c u ch t l

ng n

c trong giao di n đ h a thân thi n d s d ng. Cung c p

cho c h SIvà h US.
Các tính n ng c a mô hình
-

Tích h p v i Autocad Land Desktop và Civil 3D, ho c ho t đ ng tr c ti p
trong Civil 3D.

-

H

-

Phân tíchh th ng thoát n

-

Mô hình ch t l

-

K t h p v i d li u GIS đ mô ph ng h th ng thoát n

u nh
+
-

ng d n b n thông qua quá trình đ nh c và thi t k m t ao tù.
ng n

c m a đ n gi n và ph c t p.

c
c.

c đi m StormNet:
u đi m:
StormNET g m nhi u mô hình qu n lý n
di n nh t và ph n m m làm mô hình n
nh ng h

ng thoát, nh ng c ng n

v sinh thành th .

c mua tiên ti n, m nh, và toàn

c th i s n có đ phân tích và thi t k

c thu n

c m a và nh ng đ

ng c ng


15
-

StormNET là mô hình duy nh t mà k t h p th y h c, th y l c h c và ch t
l

-

ng n

c ph c t p trong m t giao di n hoàn toàn đ th , d s d ng.

Ph n m m có th v a làm quy ho ch c i t o, quy ho ch m i, làm quy ho ch
t ng th đ n quy ho ch chi ti t. . .

+ Nh

c đi m:

-

Giao di n không thân thi n v i ng

-

Ph n m m th

-

Ít ph bi n nên s l

i dùng

ng m i, có tính phí.
ng ng

i s d ng không nhi u, ng

kh n trong vi c trao đ i, th o lu n k t qu tính toán.

i dùng g p khó


16

CH

NG II: C

S

LÝ THUY T CHO MÔ HÌNH TOÁNTH Y L C
THOÁT N

C Ô TH

2.1 C s lý thuy t cho mô hình toán th y l c
2.1.1 Mô hình th y l c Mike Urban
Mike Urban là m t công c m nh m đ thành l p mô hình tính toán th y l c
dòng ch y cho ngành c p thoát n

c. ây là m t công c r t d s d ng, mang tính

tr c quan h n nhi u n u so v i các công c mi n phí nh Epanet, Us-Epa. Ngoài ra
nó có kh n ng tích h p hoàn toàn v i các h th ng Gis, qu n lý tài s n khác nh
ArcGis, wams, wwms. Các mô hình th y l c trong Mike Urban đ

c nghiên c u

b i đ i ng các chuyên gia giàu kinh nghi m c a DHI.
Mike Urban g m 3 module chính: Mike Urban Model Manager, Collection
System (CS) module, Water Distribution modules
Mike Urban Model Manager: Là mô hình qu n lý trong môi tr
g m m t chu i các gói d li u qu n lý, trong đó có hai mô hình ch
làSwwm5 và Epanet, đ

c phát tri n b i C quan B o v Môi tr

ng n

c bao

ng trìnhchung

ng Hoa K .

Collection System (CS) module:Bao g m mô ph ng ng dòng ch y, mô ph ng
l

ng m a ch y tràn, mô ph ng đi u khi n th i gian, mô ph ng v n chuy n ch t

gây ô nhi m, mô ph ng quá trình sinh h c.
Water Distribution modules:Bbao g m hi u ch nh t đ ng c a các mô hình
m ng phân ph i n
phân ph i n

c, công c ch a cháy ch y đ phân tích n ng l c c a h th ng

c, ki m soát l a ch n mô ph ng cho mô ph ng th i gian dài, mô

ph ng dòng ch y t m th i c a h th ng có áp.
C u trúc t ng th c a mô hình Mike Urban
Mike Urban là mô hình th hi n rõ nh t phân ph i th y đ ng l c h c trong
thoát n
th .

c đô th , là mô hình chi ti t nh t và s n có cho các h th ng thoát n

c đô

c chia ra hai thành ph n chính: module b m t và mô hình th y đ ng l c

h c. Các module chuy n đ i b m t s li u m a thành dòng vào h th ng đ

ng

ng cho t ng ti u l u v c trong h th ng, trong khi mô hình th y đ ng l c h c tính


17
toán dòng ch y trong h th ng đ
module trên b m t.

ng ng b ng cách s d ng dòng ch y t các

đây ta ch xét mô hình th y đ ng l c h c trong thoát n

c đô

th , đi n hình là mô hình Mouse th y đ ng l c h c (HD)
Các k thu t tính toán áp d ng trong Mouse th y đ ng l c (HD) s d ngh
ph

ng trình Saint-Venant(g m 2 ph

t c và ph

ng trình đ ng l

ho c các th ng s t

ng trình đ o hàm riêng là ph

ng, mô t s bi n thiên l u l

ng đ

ng trình liên

ng Q và m c n

cH

ng theo không gian và th i gian).S d ng m t thu t

toán quét đôi, mà gi i quy t đ

c hai b ph

ng trình đ

c thi t l p b ng cách s

d ng m t "chi nhánh " và m t " ti p đi m " ma tr n [23,24]. Các "chi nhánh " ma
tr n đ

c áp d ng đ tính toán dòng ch y và m c n

m iđ

ng ng, trong khi các " nút " ma tr n đ

trong nút
Ph

các b

c trong ng t i các nút

c s d ng đ tính toán m c n

c

c th i gian m i.

ng trình (1) đ a ra giá tr x p x sai phân h u h n c a các ph

t i m t nút:

H n +1 − H n
H n +1 − H n
A cr =∆Q + QCorrection (1)
A cr = ∆Q,
∆t
∆t

Trong đó:
q in : t ng c a l u l

ng vào

q out : T ng l u l
t: b

cu i

ng ra.

c th i gian

H:m c n

c.

ACR: di n tích m t c t
n và n + 1: các b

t.

c th i gian hi n t i và ti p theo.

n - ½ và n + ½: các b

c th i gian trung gian

ng trình liên t c

18

Hình 2.1: S đ minh h a m c n
T hình trên ta th y n
d a trên m t c m bi n đ
Qcorrection:L u l

c

các b

c th i gian ti p theo

c sau đi u ch nh s có m c n

cm iđ

c tính toán

c đ t ngay t i nút. T i m c Hn + 1 ta có thêm giá tr

ng đi u ch nh

H n +1 − H n
A cr =∆Q + QCorrection (2)
∆t
2.1.2 Mô hình th y l c SWMM
Mô hình toán SWMM (Storm Water Management Model) là mô hình

đ ngn l ch cmôph ngm a–dòngch ychocáckhuv cđôth c v ch tvàl
toán quá trình ch y tràn t m i l u v c b ph n đ n c a nh n n
Mô hình v a có th mô ph ng cho t ng s

ng,vàtính

c c anó.

ki n (t ng tr n m a đ n l ),

v acóth mô ph ng liênt c.
a. Các thu t toán trong SWMM
Ph n m n SWMM này g m 2 modun chính đó là:
• ModunRunofftrongSWMMlàmoduntínhdòngch yt m a,cácch tônhi m
trên các l u v c.