”Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình đô thị hóa đến công suất thiết kế của trạm bơm Đông Mỹ”

1

LỜI CẢM ƠN
Luận văn”Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình đô thị hóa đến công suất
thiết kế của trạm bơm Đông Mỹ”được hoàn thành tại Trường Đại học Thuỷ lợi.
Sau một thời gian miệt mài nghiên cứu dưới sự hướng dẫn tận tình của
thầy giáo GS TS Dương Thanh Lượng, cùng giúp đỡ của nhiều cá nhân và cơ
quan ban ngành Luận án của tôi đã hoàn thành. Từ đáy lòng mình, tác giả
chân thành cám ơn Giáo sư - Tiến sĩ Dương Thanh Lượng người hướng dẫn
khoa học đã giúp tôi hoàn thành luận án.
Xin cảm tạ tấm lòng những người thân yêu và gia đình đã động viên,
giúp đỡ và gửi gắm ở tôi.
Cảm ơn Phòng đào tạo, Khoa Kỹ thuật tài nguyên nước, Trường Đại học
Thuỷ lợi Hà Nội, Viện Thủy Công - Viện khoa học thuỷ lợi Việt Nam cùng bè
bạn, đồng nghiệp đã chia sẻ những khó khăn, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi
học tập và hoàn thành Luận án này.
Hà Nội, ngày 08 tháng 3 năm 2011
TÁC GIẢ

Đào Văn Ánh


2

MỤC LỤC
L ỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... 1
T
5
1

T

5
1

MỤC LỤC .......................................................................................................... 2
T
5
1

T
5
1

MỤC LỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... 4
T
5
1

T
5
1

MỤC LỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... 5
T
5
1

T
5
1

MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 7
T
5
1

T
5
1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ THOÁT NƯỚC CHO VÙNG NÔNG
NGHIỆP ĐANG DIỄN RA QUÁ TRÌNH ĐÔ THỊ HOÁ ..................................... 9
1.1. Khái quát về tình hình đô thị hoá ở Hà Nội ........................................... 9
1.1.1. Tổng quan về tình hình đô thị hoá ..................................................... 9
1.1.2. Hà Nội đô thị hóa ............................................................................ 11
1.2. Tình hình chuyển đổi đất nông nghiệp sang đất chuyên dùng cho đô thị ......... 13
1.2.1. Thực trạng chuyển đổi mục đích sử dụng đất nông nghiệp ở nước ta ..... 13
1.2.2. Tình hình chuyển đổi đất nông nghiệp sang đất đô thị ở Hà Nội ..... 14
1.3. Những ảnh hưởng của đô thị hoá tới hệ thống tiêu .............................. 14
1.3.1. Ảnh hưởng việc cứng hoá các mặt tiêu nước tự nhiên ..................... 14
1.3.2. Ảnh hưởng từ nguồn thải đô thị ...................................................... 16
1.3.3. Ảnh hưởng từ các quy hoạch không đồng bộ các khu đô thị khác nhau .... 17
1.4. Vấn đề tiêu thoát nước cho các vùng đô thị ........................................ 17
T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5

1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

CHƯƠNG 2. MỘT SỐ MÔ HÌNH TIÊU NƯỚC MẶT .......................................19
2.1. Mô hình Horton .................................................................................. 20

2.1.1. Cơ sở thiết lập mô hình, phương trình cơ bản và cách giải .............. 20
2.1.2. Nhận xét về mô hình ....................................................................... 22
2.2. Mô hình thủy lực ................................................................................ 22
2.2.1. Phân tích hệ phương trình vi phân cơ sở ......................................... 22
2.2.2. Áp dụng hệ phương trình vi phân cơ sở và cách giải bài toán ......... 25
2.2.3. Nhận xét về mô hình ....................................................................... 27
2.3. Mô hình Transfert .............................................................................. 28
2.3.1. Cơ sở thiết lập mô hình và phương trình cơ bản .............................. 28
2.3.2. Cách giải bài toán ........................................................................... 28
2.3.3. Nhận xét về mô hình ....................................................................... 31
2.3.3.1. Ưu điểm ............................................................................................ 31
2.3.3.2. Nhược điểm ...................................................................................... 31
2.4. Mô hình hồ chứa mặt ruộng ................................................................ 31
2.4.1. Cơ sở của mô hình .......................................................................... 31
2.4.1.1. Cấu trúc của cánh đồng lúa. ............................................................. 32
2.4.1.2. Dạng đường quá trình mưa............................................................... 33
T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5

1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5

1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5

1

T
5
1

T
5
1


3

2.4.2. Lập bài toán và các giả thiết ............................................................ 33
2.4.3. Cách giải bài toán ........................................................................... 36
2.4.4. Các điều kiện khống chế ................................................................. 37
2.4.5. Nhận xét về mô hình ....................................................................... 38
2.5. Mô hình EPA SWMM ........................................................................ 38
2.5.1. Đặc điểm mô hình SWMM .............................................................. 39
2.5.2. Những đặc điểm mô hình chất lượng nước ...................................... 41
2.5.3. Ứng dụng điển hình của SWMM ..................................................... 41
2.5.4. Các bước để sử dụng SWMM ......................................................... 42
2.5.5. Nhận xét về mô hình ....................................................................... 42
2.6. Lựa chọn mô hình tính hệ số tiêu nước mặt cho khu vực nghiên cứu .. 43
T
5
1

T
5

1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5

1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWMM VÀ CÔNG NGHỆ GIS TRONG
QUY HOẠCH VÀ QUẢN LÝ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC ĐỂ ĐÁNH GIÁ
ẢNH HƯỞNG CỦA ĐÔ THỊ HOÁ TỚI CÔNG SUẤT THIẾT KẾ TRẠM BƠM
ĐÔNG MỸ ........................................................................................................44
3.1. Chọn và mô tả đối tượng áp dụng nghiên cứu ..................................... 44
3.1.1. Điều kiện tự nhiên hệ thống ............................................................ 44
3.1.1.1. Địa lý, địa hình và địa mạo .............................................................. 44
3.1.1.2. Địa chất công trình, địa chất, địa chất thuỷ văn ............................... 44

3.1.1.3. Khí tượng ......................................................................................... 44
3.1.1.4. Thuỷ văn, sông ngòi ......................................................................... 50
3.1.3. Tình hình dân sinh, kinh tế, xã hội .................................................. 54
3.1.3.1. Dân cư .............................................................................................. 54
3.1.3.2. Tình hình sử dụng đất....................................................................... 55
3.1.3.3. Tình hình sản xuất nông nghiệp ....................................................... 56
3.1.3.4. Hướng phát triển đô thị .................................................................... 57
3.2. Mô tả đối tượng nghiên cứu - Hệ thống tiêu Đông Mỹ ......................... 58
3.2.1. Trạm bơm tiêu Đông Mỹ (cũ) .......................................................... 58
3.2.2. Các tuyến kênh ................................................................................ 59
3.2.3. Các công trình trên kênh ................................................................. 59
3.3. Tình hình tiêu nước của hệ thống tiêu Đông Mỹ ................................. 61
3.4. Dùng mô hình SWMM và công nghệ GIS để mô phỏng hệ thống ........ 62
3.4.1. Lập sơ đồ biểu diễn hệ thống tiêu .................................................... 62
3.4.2. Tạo thuộc tính cho các phần tử ........................................................ 63
4.3.3. Mô tả sự làm việc của hệ thống ....................................................... 72
4.3.4. Chạy chương trình và lấy kết quả .................................................... 73
4.3.5. Phân tích kết quả tính toán .............................................................. 80
4.3.5.1. Kiểm định mô hình theo tài liệu thực tế ........................................... 80
4.3.5.2. Nguyên nhân tình trạng úng ngập và phân tích kết quả tính toán .... 88
3.5. Phương án quản lý vận hành hệ thống ứng với quy hoạch đô thị hiện trạng....... 90
T
5
1

T
5
1

T

5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T

5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T

5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T

5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1


4

3.6. Phương án quy hoạch hệ thống thoát nước ứng với quy hoạch đô thị
2015 .......................................................................................................... 91
3.6.1. Xây dựng hệ thống đường dẫn đồng bộ ........................................... 91
3.6.2. Quản lý vận hành khu đầu mối kết hợp với hệ thống hồ điều hòa đã
xây dựng ................................................................................................... 92
3.7. Phương án quy hoạch hệ thống thoát nước ứng với quy hoạch đô thị
2020 .......................................................................................................... 93
3.7.1 Tăng số lượng hồ điều hòa ............................................................... 93

3.7.2. Cải tạo mở rộng đầu mối ................................................................. 94
3.7.3. Kiên cố hóa hệ thống đường dẫn ..................................................... 95
3.8. Ảnh hưởng của quá trình đô thị hoá đến công suất thiết kế của trạm bơm
Đông Mỹ ................................................................................................... 96
3.8.1. Quan hệ giữa phần trăm đất đô thị với diện tích hồ điều hòa ........... 98
3.8.2. Quan hệ giữa phần trăm đất đô thị với dung tích hồ điều hòa .........100
3.8.3. Quan hệ giữa phần trăm diện tích hồ điều hoà với tổng diện tích lưu
vực ...........................................................................................................102
T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5

1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5

1

T
5
1

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................... 103
4.1. Kết luận ........................................................................................... 103
4.2. Kiến nghị ......................................................................................... 104
T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T
5
1

T

5
1

T ÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 105
T
5
1

T
5
1

MỤC LỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Dân số đô thị và mức độ đô thị hóa của Việt Nam từ 1950 và dự kiến
đến năm 2050 ....................................................................................................15
T
5
1

T
5
1

Hình 1-2: Hà Nội bị ngập rất nhanh khi mưa lớn ................................................17
T
5
1

T
5

1

Hình 3-1: Sơ đồ hệ thống tiêu đã được lập bằng SWMM ....................................63
T
5
1

T
5
1

Hình 3-2: Nhập số liệu vào nút ..........................................................................63
T
5
1

T
5
1

Hình 3-3: Nhập số liệu vào kênh hình thang .......................................................64
T
5
1

T
5
1

Hình 3-4: Nhập số liệu vào đường ống ...............................................................64

T
5
1

T
5
1

Hình 3-5: Nhập số liệu vào tiểu lưu lực ..............................................................66
T
5
1

T
5
1

Hình 3-6: Tạo thuộc tính cho mô hình mưa ........................................................68
T
5
1

T
5
1

Hình 3-7: Nhập số liệu cho mô hình mưa ...........................................................68
T
5
1

T
5
1

Hình 3-8: Tạo thuộc tính cho cống (Orifice) ......................................................70
T
5
1

T
5
1

Hình 3-9: Tạo thuộc tính cho máy bơm (Pump) ..................................................71
T
5
1

T
5
1

Hình 3-10: Nhập số liệu khí tượng .....................................................................72
T
5
1

T
5

1


5

Hình 3-11: Lựa chọn các thông số cho tính toán .................................................74
T
5
1

T
5
1

Hình 3-12: Quá trình chạy chương trình .............................................................74
T
5
1

T
5
1

Hình 3-13: Kết quả thể hiện trong sơ đồ tính toán bằng số và màu .....................76
T
5
1

T
5

1

Hình 3-14: Các hình thức lấy kết quả là đường mặt nước ...................................77
T
5
1

T
5
1

Hình 3-15. Đường quá trình mực nước tại bể hút trạm bơm ................................78
T
5
1

T
5
1

Hình 3-16. Đường quá trình mực nước hồ Đông Mỹ ...........................................79
T
5
1

T
5
1

Hình 3-17. Đường quá trình mực nước hồ Vẹt ....................................................79

T
5
1

T
5
1

Hình 3-18 Đường quá trình mực nước hồ Đông Trạch ........................................79
T
5
1

T
5
1

Hình 3-19. Quá trình lưu lượng trạm bơm Đông Mỹ mới ....................................80
T
5
1

T
5
1

Hình 3-20: Đồ thị quan hệ giữa tỷ lệ đất đô thị với diện tích hữu ích hồ điều hòa100
T
5
1

T
5
1

Hình 3-21: Đồ thị quan hệ giữa tỷ lệ đất đô thị với dung tích hữu ích hồ điều hòa101
T
5
1

T
5
1

MỤC LỤC BẢNG BIỂU
Biểu đồ 1.1: Tỷ lệ dân số đô thị Việt Nam
T
5
1

1970-2010 ......................................... 9
T
5
1

Bảng 1.1: Dân số đô thị và mức độ đô thị hóa của Việt Nam (1950 - 1995) ........10
T
5
1

T
5
1

Biểu đồ 1.2: Dân số đô thị và mức độ đô thị hóa của Việt Nam từ 1950 và dự kiến
đến năm 2050 ....................................................................................................11
T
5
1

T
5
1

Bảng 1-2: Ảnh hưởng các loại tầng phủ tới hệ số dòng chảy ...............................16
T
5
1

T
5
1

Bảng 3.1. Nhiệt độ trung bình tháng tại Hà Nội và Hà Đông (0 C) .......................45
T
5
1

P

P

T
5
1

Bảng 3.2. Độ ẩm tương đối trung bình tháng tại Hà Nội và Hà Đông (%) ...........45
T
5
1

T
5
1

Bảng 3.3. Lượng mưa năm tại một số trạm trên hệ thống ....................................45
T
5
1

T
5
1

Bảng 3.4. Kết quả tính toán lượng mưa 1, 3, 5, 7 ngày max ứng với tần suất P =
5% và 10% (đơn vị: mm) ...................................................................................46
T
5
1

T
5
1

Bảng 3.5. Phân phối trận mưa 3 ngày max (P=10%) ...........................................46
T
5
1

T
5
1

Bảng 3.6. Lượng mưa 72 giờ tại trạm Láng (mm) ...............................................47
T
5
1

T
5
1

Bảng 3.7. Lượng mưa 72 giờ tại trạm Hà Đông (mm) .........................................48
T
5
1

T
5
1

Bảng 3.8. Lượng mưa 3 ngày của trận mưa đặc biệt lớn năm 2008 (mm) ............49
T
5
1

T
5
1

Bảng 3.9. Lượng bốc hơi trung bình tháng tại Hà Nội và Hà Đông (mm) ............49
T
5
1

T
5
1

Bảng 3.10. Mực nước thấp nhất sông Hồng tại Hà Nội (cm) ...............................51
T
5
1

T
5
1

Bảng 3.11. Các mực nước sông Hồng tại trạm Hà Nội ứng với các tần suất tính
toán (liệt số liệu 1970-2008) ..............................................................................52

T
5
1

T
5
1

Bảng 3.12. Các mực nước Sông Hồng tại Yên Sở ứng với các tần suất tính toán ... 52
T
5
1

T
5
1


6

Bảng 3.13. Các mực nước Sông Hồng tại Đông Mỹ ứng với các tần suất tính toán52
T
5
1

T
5
1

Bảng 3.14. Mực nước báo động mùa lũ tại một số vị trí trên sông Hồng .............53

T
5
1

T
5
1

Bảng 3.15. Mực nước lớn nhất trên sông Nhuệ qua một số năm điển hình ..........53
T
5
1

T
5
1

Bảng 3.16. Mực nước báo động tại một số vị trí trên sông Nhuệ và sông Hồng...53
T
5
1

T
5
1

Bảng 3.17. Mực nước tiêu trên sông Nhuệ, sông Đáy .........................................54
T
5
1

T
5
1

Bảng 3.18. Tình hình dân cư vùng nghiên cứu so với các khu vực khác năm 200855
T
5
1

T
5
1

Bảng 3.19. Diện tích đất nông nghiệp của huyện Thanh Trì so với các khu vực
khác ...................................................................................................................56
T
5
1

T
5
1

Bảng 3.20. Diện tích, năng suất một số cây trồng chủ yếu của các địa phương
thuộc Hà Nội. ....................................................................................................57
T
5
1

T
5
1

Bảng 3.21. Hiện trạng các công trình trên kênh thuộc lưu vực dự án. .................61
T
5
1

T
5
1

Bảng 3-22: Giá trị kết quả tính toán tại các nút và kênh .....................................75
T
5
1

T
5
1

Bảng 3-23: Giá trị kết quả tính toán tại các tiểu lưu vực .....................................75
T
5
1

T
5
1

Bảng 3-24: Mô hình tiêu thực đo ........................................................................80
T
5
1

T
5
1

Bảng 3-25: Kết quả tính toán các trường hợp ở phương án hiện trạng .................82
T
5
1

T
5
1

Bảng 3-26: Kết quả tính toán các trường hợp phương án năm 2015 ....................82
T
5
1

T
5
1

Bảng 3-27: Kết quả tính toán các trường hợp phương án năm 2020 ....................83
T

5
1

T
5
1

Bảng 3-28: Kết quả tính lưu lượng úng và độ sâu ngập úng tại nút A22..............84
T
5
1

T
5
1

Bảng 3-29: Tổng hợp kết quả ngập úng ứng với các phương án mô phỏng ..........86
T
5
1

T
5
1

Bảng 3-30: Kết quả chuyển đổi mục đích sử dụng đất từ nay tới năm 2020 ........99
T
5
1

T
5
1

Bảng 3-31: Thống kê diện tích các hồ điều hòa qua các phương án mô phỏng ....99
T
5
1

T
5
1

Bảng 3-32: Thống kê diện tích mặt thoáng và mực nước trữ tối đa các hồ điều
hòa qua các phương án mô phỏng..................................................................... 101
T
5
1

T
5
1

Bảng 3-33: Thống kê dung tích hữu ích các hồ điều hòa qua các phương án mô
phỏng............................................................................................................... 101
T
5
1

T

5
1

Bảng 3-34: Tỷ lệ phần trăm diện tích hồ điều hoà so với tổng diện tích lưu vực
qua các phương án mô phỏng ........................................................................... 102
T
5
1

T
5
1


7

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu
Việt Nam đang trong thời kỳ đẩy mạnh công nghiệp hoá, hiện đại hoá;
đặc biệt tại thành phố Hà Nội quá trình đô thị hoá càng diễn ra với tốc độ cao.
Quá trình đô thị hoá là quá trình thay thế những vùng sản xuất nông nghiệp,
dân cư nông thôn trước kia bởi những khu đô thị, khu công nghiệp, trung tâm
thương mại, trung tâm giải trí, các công trình công cộng,... Quá trình đô thị
hoá tạo những bước phát triển đột phá về kinh tế xã hội nhưng cũng gây ra
những tác động tiêu cực đối với việc thoát nước và vệ sinh môi trường.
Lưu vực tiêu của trạm bơm Đông Mỹ hiện nay thoát nước cho vùng Đông
Nam Hà Nội khoảng chừng 2000 ha.. Trước đây các hệ thống tiêu thuỷ lợi
được thiết kế để đảm bảo tiêu thoát nước cho nông nghiệp, thổ cư đường xá,
ao hồ... Nhưng khi quá trình đô thị hoá diễn ra thì đặc trưng sinh dòng chảy
thay đổi do sự gia tăng của các bề mặt không thấm nước làm giảm nhỏ lượng

thấm như mái nhà, mặt đường, quảng trường, sân bãi ô tô... Đồng thời hệ
thống thoát nước trong các khu đô thị được xây dựng mới nên làm tăng vận
tốc dòng chảy và tăng lưu lượng đỉnh lũ. Vì vậy hệ thống tiêu phải làm việc
vượt khả năng thiết kế. Mặt khác nước thải từ các khu công nghiệp,các làng
nghề không qua xử lý hoặc xử lý chưa đạt mức cho phép xả vào các kênh tiêu
làm ô nhiễm nguồn nước tưới (vì nước ở các kênh tiêu thường được giữ lại để
tưới vào mùa khô).
Những vấn đề trên chính là lí do ra đời đề tài ”Nghiên cứu ảnh hưởng
của quá trình đô thị hóa đến công suất thiết kế của trạm bơm Đông Mỹ”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu cơ sở khoa học để đánh giá khả năng làm việc của hệ thống
tiêu hiện tại từ đó đưa ra các phương án quy hoạch, quản lý vận hành hệ
thống thoát nước tương ứng với quy hoạch đô thị hiện tại, quy hoạch đô thị
năm 2015 và quy hoạch đô thị năm 2020.


8

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là hệ thống thuỷ lợi tiêu thoát nước cho lưu vực
trạm bơm Đông Mỹ, vùng đang diễn ra quá trình đô thị hoá mạnh mẽ.
Phạm vi nghiên cứu là nghiên cứu các kịch bản quy hoạch, quản lý vận
hành hệ thống thoát nước tương ứng với các giai đoạn quy hoạch đô thị khác
nhau.
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về quá trình đô thị hoá đang diễn ra ở các vùng
ngoại thành Hà Nội. Đánh giá ảnh hưởng của quá trình đô thị hoá các vùng
sản xuất nông nghiệp đến hệ thống tiêu thoát nước.
- Nghiên cứu các phương pháp tính toán tiêu nước cho các vùng nông
nghiệp và đô thị phía Tây Nam thành phố Hà Nội hiện nay.

- Nghiên cứu biện pháp thoát nước cho những vùng hỗn hợp nông nghiệp
và đô thị.
- Nghiên cứu diễn biến chất lượng nước tại vị trí lấy nước tưới trên kênh
tiêu.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập và phân tích các số liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu, như:
các phương pháp tính toán tiêu nước cho các khu vực, điều kiện tự nhiên, xã
hội của các đối tượng nghiên cứu,
- Ứng dụng GIS trong quy hoạch và quản lý hệ thống thoát nước.
- Sử dụng các phần mềm tiên tiến trong việc giải các bài toán phân tích
thuỷ lực, thuỷ văn, chất lượng nước.
- Sử dụng các lý thuyết của các môn khoa học về: toán, thuỷ lực, thuỷ
nông, máy bơm và trạm bơm, cấp thoát nước,… trong các phần nghiên cứu
liên quan.


9

CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ THOÁT NƯỚC CHO VÙNG
NÔNG NGHIỆP ĐANG DIỄN RA QUÁ TRÌNH ĐÔ THỊ HOÁ
1.1. Khái quát về tình hình đô thị hoá ở Hà Nội
1.1.1. Tổng quan về tình hình đô thị hoá
Từ khi đất nước đi vào công cuộc công nghiệp hóa , hiện đại hóa , các đô
thị của Việt Nam bừng dậy sau một cơn ngủ dài chậm phát triể n. Từng đô thị
có những phát triển phát triển ban đầu vào những năm 90 của thế kỷ XX thì
đến đầu thế kỷ XXI con đường phát triển ấy được khẳng định mạnh mẽ,
không những chỉ bằng các chính sách của Nhà nước mà còn vì sức tác động
của nó lên mọi mặt của xã hội.

Nguồn: World Urbanization Prospects: The 2007
Revision Population Database
T
1

T
1

Biểu đồ 1.1: Tỷ lệ dân số đô thị Việt Nam 1970-2010

Đường biểu diễn về tỷ lệ dân số đô thị trên cả nước trên đây được dựa
vào số liệu của Chương trình UNDP
(United Nations Development
Programme) thuộc Liên Hiệp quốc , thể hiện sức bật lên đáng kể của đô thị
hóa Việt Nam từ năm 1990. Vào năm 1990, tỷ lệ dân số đô thị l à 22.2% và từ
đó tỷ lệ này cứ mỗi 5 năm tăng trên 2% cho đến năm 2010, đã lên đến 28.8%.
Trong khi đó mức độ đô thị hóa của giai đoạn 20 năm trước Đổi Mới chỉ tăng
2% (từ 18.3% đến 20.3%), không đến 1% mỗi 5 năm.


10

Khắp cả nước diễn ra đô thị hóa và tốc độ của hiện tượng này ngày càng
tăng. Trong tương lai, theo dự đoán của Chương trình UNDP thì chỉ số đô thị
của Việt Nam sẽ đạt đến 50% vào khoảng năm 2040, và sẽ đạt đến 57% vào
năm 2000.

Nguồn: World Urbanization Prospects: The 2007 Revision Population Database
T
1

Bảng 1.1: Dân số đô thị và mức độ đô thị hóa của Việt Nam (1950 - 1995)

Biểu đồ 1.2 được thiết lập từ số liệu của bảng 1.1 cho thấy con đường đô
thị hóa càng ngày càng xa trục hoành . Thay vì tốc độ tăng trên 2% trên mỗi 5
năm của giai đoạn 1990-2010 thì giai đoạn sau 2010, tốc độ đô thị hóa có
những bước nhảy vọt ngày càng mạnh mẽ hơn. Từ mức độ 5 năm đầu tiên sau
năm 2010 là 2.8%, thì chỉ số này càng về sau càng cao hơn 3%, thậm chí gần
4% (2015-2020: 3.1%; 2020-2025: 34%; 2025-2030: 37%; 2030-2035: 37%;
2035-2040: 39%; 2040-2045: 38%; 2045-2050: 38%).


11

Nguồn: World Urbanization Prospects: The 2007 Revision Population Database
Biểu đồ 1.2: Dân số đô thị và mức độ đô thị hóa của Việt Nam từ 1950 và dự
kiến đến năm 2050
T
1

1.1.2. Hà Nội đô thị hóa
Cũng như đô thị hóa trên thế giới, đô thị hóa của Hà Nội đã đem đến
nhiều kết quả tích cực. Trong kết quả tăng trưởng kinh tế xã hội của đất nước
có sự đóng góp một phần to lớn của khu vực đô thị, trong đó phần của Hà
Nội là rất đáng kể. Các đô thị Hà Nội, Đà Nẵng, TP. Hồ Chí Minh đã thực sự
là động lực quan trọng trong phát triển kinh tế xã hội của đất nước. Mức sống
của người dân được tăng lên. Hạ tầng cơ sở được nâng cấp dù chưa theo kịp
với đà của đô thị hóa, các khu công nghiệp xuất hiện, nhiều công trình xây
dựng hiện đại được tiến hành, công việc quy hoạch được thúc đẩy . Các dịch
vụ đô thị được phát triển phục vụ cho người đô thị . Trình độ học vấn được

nâng cao hơn trước, trình độ tri thức đáp ứng được phần nào yêu cầu của thời
đại. Đời sống văn hóa đa dạng , phong phú với nhiều loại hình mới xuất hiện.
Nông thôn xích lại gần hơn với thành thị về mặt không gian và lối sống.
Đó là những mặt tích cực mà đô thị hóa đã đem đến cho xã hội , những
mặt tích cực này cần được chú ý phát huy để cho xã hội đô thị cũng như nông
thôn có được cuộc có chất lượng cao hơn.


12

Tuy nhiên, nếu chỉ nhìn vào mặt tích cực thì ta sẽ không thấy hết được tác
động của đô thị hóa lên xã hội . Bên cạnh những mặt tích cực ấy, luôn luôn
kèm theo những tác động tiêu cực. Đó là hai mặt của một vấn đề, vấn đề đô
thị hóa. Cũng như TP. Hồ Chí Minh và một số thành phố khác , Hà Nội đô thị
hóa chứa đựng nhiều vấn đề phải giải quyết về quy hoạch
, xã hội , môi
trường, văn hóa… và đã để lại nhiều hậu quả cho chất lượng sống của người
dân.
Hà Nội đô thị hóa g ặp phải cảnh tắc đường, kẹt xe, ô nhiễm môi trường .
Căn bệnh ùn tắc giao thông tại Hà Nội mỗi ngày thêm trầm trọng. Theo
phòng Cảnh sát Giao thông Hà Nội, trên địa bàn Hà Nội có 66 điểm có nguy
cơ ùn tắc giao thông (số liệu năm 2009).
T
6
1

T
6
1

Trong khi nạn ùn tắc giao thông ngày càng tăng, thì độ ô nhiễm nước và
không khí cũng tăng theo. Số liệu của Trạm khí tượng Láng (Hà Nội) cho
thấy, trung bình trong một mét khối không khí ở Hà Nội có 80 µg (mi-crô
gram) bụi khí PM10, vượt tiêu chuẩn quy định 50 µg/m3; bụi khí SO2 cũng
vượt tiêu chuẩn châu Âu 20 µg/m3; nồng độ bụi lơ lửng cao hơn tiêu chuẩn
cho phép 2,5 lần. Đô thị hóa là nguyên nhân trực tiếp gây ra ô nhiễm ấy . Các
khu công nghiệp nhất là các khu công nghiệp mới Bắc Thăng Long, Nam
Thăng Long, Sài Đồng B, Đông Anh và Sóc Sơn đã thải ra bụi và SO2. Bên
cạnh đó, khí thải giao thông từ 200.000 ô tô và 1,9 triệu xe máy của dân số
ngày càng tăng của Hà Nội (số liệu năm 2007).
Ngoài những thay đổi đã nêu trên do quá trình đô thị hoá đem lại thì một
vấn đề nổi bật nảy sinh đó là đặc trưng dòng chảy thay đổi do sự gia tăng của
các bề mặt không thấm nước làm giảm nhỏ lượng thấm như mái nhà, mặt
đường, quảng trường, sân bãi ô tô... Đồng thời hệ thống thoát nước trong các
khu đô thị được xây dựng mới nên làm tăng vận tốc dòng chảy và tăng lưu
lượng đỉnh lũ. Vì vậy hệ thống tiêu phải làm việc vượt khả năng thiết kế. Mặt
khác nước thải từ các khu công nghiệp,các làng nghề không qua xử lý hoặc
xử lý chưa đạt mức cho phép xả vào các kênh tiêu làm ô nhiễm nguồn nước
tưới (vì nước ở các kênh tiêu thường được giữ lại để tưới vào mùa khô). Sự
thay đổi của dòng chảy hiện nay một phần là do sự biển đổi khí hậu đem lại
nhưng trên hết vẫn là sự đô thị hoá qua nhanh làm dòng chảy trên lưu vực tập


13

trung quá nhanh dẫn tới khả năng tiêu thoát của hệ thống không đảm bảo.
Minh chứng rõ ràng nhất là trận lụt lịch sử cuối năm 2008, mưa lịch sử cộng
với ảnh hưởng của đô thị hoá đã làm nhiều khu vực trong thành phố ngập úng
nhiều ngày.
1.2. Tình hình chuyển đổi đất nông nghiệp sang đất chuyên dùng cho đô thị

1.2.1. Thực trạng chuyển đổi mục đích sử dụng đất nông nghiệp ở nước ta
Đất đai là nguồn tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá, là một trong
những của cải quý nhất của loài người. Lịch sử phát triển xã hội cũng là lịch
sử khai thác và sử dụng đất đai. Dưới góc độ pháp lý, đất đai là một bộ phận
không thể tách rời của lãnh thổ quốc gia gắn liền với chủ quyền quốc gia. Với
vai trò quan trọng như vậy, đất đai chỉ phát huy được vai trò tích cực dưới sự
tác động của con người một cách thường xuyên và có ý thức. Ngược lại đất
đai không thể phát huy được khả năng sinh lợi nếu con người sử dụng đất
một cách tuỳ tiện, chỉ biết khai thác mà không cải tạo, bồi bổ đất.
Trong sáu loại đất được quy định trong Luật Đất đai năm 2003 thì đất
nông nghiệp được coi là tư liệu sản xuất chủ yếu. Đặc biệt nước ta là một
nước nông nghiệp có đến 73% dân số sống bằng nghề nông. Đất nông nghiệp
không chỉ là điều kiện sinh tồn mà còn là yếu tố xã hội sâu sắc. Vì vậy, để
đảm bảo nhu cầu về lương thực, thực phẩm cho toàn xã hội, bảo đảm an ninh
lương thực và có lương thực xuất khẩu là việc rất quan trọng. Hiện nay, do
yêu cầu công nghiệp hoá, hiện đại hoá và đô thị hoá cho nên hàng năm đã có
một lượng quỹ đất nông nghiệp khá lớn được chuyển đổi mục đích sử dụng.
Đó là yêu cầu khách quan để phát triển các khu công nghiệp, các khu đô thị
mới. Tuy nhiên, Việt Nam đang là một nước có bình quân đầu người về đất
nông nghiệp vào loại thấp nhất thế giới. Trong khi bình quân chung của thế
giới là 4.000 m2/người thì ở Việt Nam chỉ khoảng 1.000 m2/người. Trong
khi đó chỉ trong khoảng thời gian ngắn từ năm 1995 đến năm 2000 đã có
400.000 ha đất nông nghiệp được chuyển đổi mục đích sử dụng, trong đó
chuyển sang đất chuyên dùng là 96.780 ha, chiếm 24,19% tổng diện tích đất
nông nghiệp thực giảm. Khi đất nông nghiệp được chuyển sang mục đích sử
dụng khai thác thì tình trạng lao động nông thôn mất việc làm phổ biến, các


14

vấn đề xã hội như quyền lợi, việc làm, ổn định tại khu vực nông thôn càng trở
nên phức tạp.
1.2.2. Tình hình chuyển đổi đất nông nghiệp sang đất đô thị ở Hà Nội
Thành phố Hà Nội đang tăng trưởng nhanh, dân số nội thành năm 2000 là
1.586.500 người thì đến năm 2006 đã là 2.111.100 người, tăng thêm hơn nửa
triệu người chỉ trong vòng 6 năm! Cùng thời gian đó, đất nông nghiệp toàn
thành giảm bớt 5.700 ha, tức là gần 1.000 ha/năm. Kết quả của làn sóng đô
thị hóa cộng với quá trình tăng dân số đã làm cho đất nông nghiệp bình quân
đầu người giảm, chỉ còn dưới 0,1ha/người (bình quân trên thế giới là
0,25ha/người). Đã vậy, quá trình đô thị hoá vẫn chưa và chưa thể dừng lại.
1.3. Những ảnh hưởng của đô thị hoá tới hệ thống tiêu
1.3.1. Ảnh hưởng việc cứng hoá các mặt tiêu nước tự nhiên
Hà Nội úng ngập đã là chuyện thường gặp mỗi khi mưa lớn, nhưng chưa có
giải pháp thích ứng lại còn làm vấn đề trầm trọng thêm. Dự án thoát nước HN đã
do JICA đề xuất cách đây hơn 20 năm, khi đô thị hoá tốc độ thấp hơn hiện nay
rất nhiều. Các nhà quản lý đang tuyên bố làm hết sức nhưng là làm theo cái kịch
bản cũ kỹ, bản thân nó đã có nhiều hạn chế, lại có thêm nhiều việc vô lý: Việc bê
tông hoá tràn lan vỉa hè mặt đường, lát đá hay lu lèn chặt thành và đáy hồ điều
hoà làm triệt tiêu thẩm thấu, giảm diện tích mặt thấm nước.


15

Nguồn: Hanoidata ST&BS - Bản đồ thoát nước Hà Nội
T
1

T
1

Hình 1-1: Dân số đô thị và mức độ đô thị hóa
của Việt Nam từ 1950 và dự kiến đến năm 2050

Cống hoá các kênh mương làm giảm thiết diện thoát nước làm tăng phản
áp trong lòng cống kín dẫn đến giảm tốc độ tiêu thoát, loại bỏ khả năng nước
tràn bờ tự nhiên khi mưa lớn. Tổng lượng trữ nước các sông hồ kênh mương
nội thành HN là 23 triệu m3. Trạm bơm Yên Sở cũ chạy hết tốc lực mất 4
ngày, nay có hoàn thành tăng công suất gấp đôi cũng mất 2 ngày. Vậy Hà Nội
vẫn úng ngập cho dù chính quyền làm hết sức, tiêu hết mức. Trong bảng 1-2
thể hiện mối quan hệ giữa các loại tầng phủ khác nhau với hệ số dòng chảy.


16

Loại mặt phủ

Hệ số dòng chảy C

Mặt cỏ (á cát)
Độ dốc nhỏ 2%
0,05 ÷ 0,10
Độ dốc trung bình 2 ÷ 7%
0,10 ÷ 0,15
Độ dốc lớn > 7%
0,15 ÷ 0,20
Mặt cỏ (á sét)
Độ dốc nhỏ 2%
0,13 ÷ 0,17
Độ dốc trung bình 2 ÷ 7%
0,18 ÷ 0,22

Độ dốc lớn >7%
0,25 ÷ 0,35
Mặt đường rải sỏi, đá dăm
0,15 ÷ 0,30
Mặt đường lát đá
0,75 ÷ 0,85
Mái nhà
0,70 ÷ 0,95
Mặt đường nhựa
0,85 ÷ 0,90
Mặt đường bê tông
0,80 ÷ 0,95
Nguồn [23]: T. J. McGhee, Water Supply and Sewerage
Bảng 1-2: Ảnh hưởng các loại tầng phủ tới hệ số dòng chảy

1.3.2. Ảnh hưởng từ nguồn thải đô thị
Quá trình đô thị hóa đã gây những tác động xấu đến quá trình thoát nước tự
nhiên: dòng chảy tự nhiên bị thay đổi, quá trình lưu giữ tự nhiên dòng chảy
bằng các thảm thực vật và đất bị mất đi, và thay vào đó là những bề mặt phủ
không thấm nước như mái nhà, bê tông, đường nhựa, làm tăng lưu lượng dòng
chảy bề mặt (Hình 1.a). Những dòng chảy này thường bị ô nhiễm do rác, bùn
đất và các chất bẩn khác rửa trôi từ mặt đường. Lượng nước và cường độ dòng
chảy tăng tạo nên sự xói mòn và lắng bùn cặn. Tất cả những yếu tố này gây
những tác động xấu đến môi trường, úng ngập, ảnh hưởng đến hệ sinh thái
dưới nước.
Các hệ thống thoát nước truyền thống thường được thiết kế để vận
chuyển nước mưa ra khỏi nơi phát sinh càng nhanh càng tốt. Chi phí cho xây
dựng và vận hành, bảo dưỡng các đường cống thoát nước thường rất lớn,
trong khi công suất của chúng lại chỉ có giới hạn và không dễ nâng cấp. Cách
làm này dẫn đến nguy cơ ngập lụt, xói mòn đất và ô nhiễm ở vùng hạ lưu

tăng. Việc dẫn dòng chảy bề mặt đi xa và thải còn làm mất khả năng bổ cập
tại chỗ cho các tầng nước ngầm quý giá.


17

1.3.3. Ảnh hưởng từ các quy hoạch không đồng bộ các khu đô thị khác nhau
Về vấn đề hạ tầng các khu đô thị mới, đặc biệt với hạ tầng thoát nước hiện
còn lỏng lẻo như cốt san nền, công trình hồ điều hoà tại chỗ, cao độ hệ thống
cống rãnh, chất lượng xây dựng… nhiều dự án tuân thủ chưa đúng quy hoạch.
Ở các nước, cùng với bản đồ sử dụng đất thì bản đồ vùng có nguy cơ
ngập lụt là một trong hai bản đồ quan trọng được công bố chi tiết theo quy
định của pháp luật. Khu vực có khả năng bị ngập lụt chỉ có thể được cải tạo,
chỉnh trang mà không được dùng để phát triển đô thị mới. Ở nước ta, các bản
đồ xác định vùng có nguy cơ ngập lụt chưa được công bố rộng rãi.
1.4. Vấn đề tiêu thoát nước cho các vùng đô thị

Nguồn: Hanoidata ST&BS, KTS Bùi Thế Trung
Hình 1-2: Hà Nội bị ngập rất nhanh khi mưa lớn

Có thể nói thoát nước và xử lý nước thải đang là thách thức lớn đối với
lĩnh vực thoát nước. Việc nước thải sinh hoạt, nước thải sản xuất công
nghiệp, các cơ sở chế biến hải sản thực phẩm, nước thải bệnh viện, làng nghề
chưa qua xử lý đã xả trực tiếp vào hệ thống nước thải chung gây ô nhiễm rất
nghiêm trọng đối với môi trường sống của con người. Các dòng sông và kênh
mương nội đô, nước có màu xám và bốc mùi hôi thối, đã đổ trực tiếp vào các
sông lớn gây ô nhiễm cả một vùng rộng lớn, nguy hại hơn là nó đang huỷ
hoại nguồn tài nguyên thiên nước vô cùng quý giá của quốc gia. Trong khi đó

18

thể chế, chính sách phát triển và quản lý thoát nước còn thiếu, Chiến lược và
Định hướng phát triển lĩnh vực này còn một số bất cập, chưa đảm bảo các yếu
tố bền vững về tài chính,… đã hạn chế lớn đến hiệu quả quản lý thoát nước.
Trong những năm tới, vấn đề khắc phục ô nhiễm, bảo vệ môi trường là
một trong những nhiệm vụ trọng tâm của đất nước, gắn liền với các mục tiêu
phát triển kinh tế, xã hội nhằm đảm bảo phát triển bền vững. Việc tổ chức
nhìn nhận, đánh giá lại thực trạng của ngành thoát nước, xác định nguyên
nhân của những tồn tại, bất cập và định hướng cho những giải pháp từ cơ chế
chính sách, mô hình tổ chức, công tác quy hoạch, đầu tư cho đến lựa chọn
công nghệ thích hợp,… là điều hết sức cần thiết và có ý nghĩa để thực hiện
thành công các mục tiêu của kế hoạch 5 năm cũng như bảo đảm sự phát triển
bền vững lâu dài trong tương lai


19

CHƯƠNG 2.
MỘT SỐ MÔ HÌNH TIÊU NƯỚC MẶT
Với kỹ thuật mô hình và phương pháp phân tích hệ thống đã cho phép tái
tạo và mô phỏng được những quá trình mưa úng trên lưu vực, đánh giá được
mức độ ảnh hưởng khác nhau của các công trình đối với quá trình tiêu nước
trên toàn lưu vực, giúp ta lựa chọn được những phương án quy hoạch, thiết
kế và quản lý tối ưu các hệ thống tiêu thoát nước. Từ những năm 50 của thế
kỷ này, đặc biệt trong 2 thập kỷ gần đây khi kỹ thuật tin học phát triển, việc
giải các bài toán tiêu nước được thực hiện với sự trợ giúp của máy tính điện
tử. Điều đó đã tạo ra một sự phát triển mạnh mẽ của một loạt các mô hình
tính toán thuỷ văn, thuỷ lực, v.v...
Kỹ thuật mô hình có ý nghĩa và hiệu quả lớn đối với các bài toán thuỷ

văn, thuỷ lực. Nhờ có tốc độ xử lý thông tin cực nhanh và chính xác của máy
tính điện tử mà kỹ thuật mô phỏng toán học ngày càng hoàn thiện, nên các
mô hình toán thuỷ văn - thuỷ lực có thể xem xét đánh giá được những tác
động và những thay đổi xảy ra trên các lưu vực. Việc ứng dụng các mô hình
toán thuỷ văn đối với các bài toán tiêu nước ở nước ta là hướng chắc chắn
đem lại hiệu quả cao.
Khi tính toán tiêu cho các lưu vực, đặc biệt là vùng đô thị cần chú ý rằng
mọi vấn đề về tiêu nước cho nội đô phải đặt trong hệ thống tiêu thoát nước
của cả vùng xung quanh. Phải xem xét mối quan hệ giữa tiêu nội thành và
tiêu ngoại thành, mối quan hệ giữa mực nước trong đồng với chế độ dòng
chảy ngoài sông, hoặc chế độ thuỷ triều của vùng biển kề cận nếu có. Việc
tính toán tiêu nước cho vùng tiêu tổng hợp (vùng tiêu có nhiều yếu tố khác
nhau như vùng tiêu cho đất nông nghiệp, cho thổ cư, cho các khu đô thị và
các vùng đất đặc biệt khác) là vấn đề tính toán phức tạp chưa được nghiên
cứu hoàn chỉnh. Do đó việc lựa chọn và áp dụng mô hình tính toán tiêu cũng
khác nhau.
Trong các mục tiếp theo sẽ giới thiệu một số phương pháp đã được sử
dụng để tính toán tiêu nước, từ đó sẽ lựa chọn ra mô hình phù hợp với điều
kiện của khu vực nghiên cứu.


20

2.1. Mô hình Horton
2.1.1. Cơ sở thiết lập mô hình, phương trình cơ bản và cách giải
Mô hình này hiện được sử dụng khá phổ biến trong tính toán quy hoạch
đô thị ở Mỹ và cho phép mô phỏng quá trình chảy tràn trên mặt đất, dựa trên
phương trình liên tục của dòng chảy. Mô hình dựa trên phương trình được rút
ra từ việc xấp xỉ sai phân (ẩn) một phương trình vi phân đạo hàm riêng hai
chiều.

Một cách gần đúng, chia vùng nghiên cứu thành những ô vuông minh hoạ ở hình 2-1.
Vùng nghiên cứu

Hình 2-1. Chia vùng nghiên cứu thành lưới ụ vùng
2
1

0

3

4

Hình 2-2. Phần tử tính toán

Sự thay đổi độ cao của lớp nước ∆D trên một phần tử trong khoảng thời


21

gian ∆t cho bởi phương trình:
4
Q 

∆D =  i p − T + ∑ i ∆t
i =1 L 


(2-1)

Trong đó:
i p - Cường độ mưa trung bình
R

R

T - Cường độ thấm và bốc hơi
Qi
- Lưu lượng đơn vị trên chiều rộng tràn của một cạnh phần tử i. Lưu
L
lượng này sẽ là dương nếu đi vào phần tử và là âm nếu đi ra khỏi phần tử.

Lưu lượng trên một cạnh được tính theo công thức:
Qi
= K .D m I n
L

(2-2)

Trong đó:
K - Hệ số kinh nghiệm;
D - Độ cao phần tử bên cạnh;
L - Chiều rộng cạnh phần tử;
I - Độ dốc mặt nước;
m và n là những hệ số:
- chảy tầng: m=3; n=1
- chảy rối: m=5/3; n=1/2
- chảy quá độ: m=1,85; n=0,74.
Sự thay đổi độ cao của phần tử 0 ở hình 3-3 được xác định theo công
thức:

4

n
m
∆D 0 = i p − T + K ∑ D i sign(I i ) I i  ∆t
i =1



sign (3) =1 nếu 3 ≥ 0, sign (3) = −1 nếu 3 < 0
R

Với:

R

(2-3)


22

Ii =

(H i + D i ) − (H 0 + D 0 )
L

(2-4)

H - Cao độ trung bình của phần tử, (m);
Ở mỗi bước thời gian người ta sẽ tính toán cho tất cả các phần tử của khu

vực nghiên cứu và cung cấp trị số độ cao mới đối với các bước tiếp theo.
Kết quả tính toán sẽ cho ta được quá trình thay đổi độ cao lớp nước tràn
theo thời gian cho tất cả các phần tử.
2.1.2. Nhận xét về mô hình
Ưu điểm của mô hình là nó cho lời giải chi tiết về quá trình độ sâu lớp
nước tại mọi điểm trên bề mặt lưu vực. Nhưng mô hình này đòi hỏi số liệu rất
chi tiết về địa hình của lưu vực. Ngoài ra đối với những lưu vực phức tạp về
địa hình, chẳng hạn lưu vực có nhiều chướng ngại vật và bị chia cắt thì việc
chia lưới để tính toán khá phức tạp và kết quả thu được sẽ kém chính xác.
2.2. Mô hình thủy lực
2.2.1. Phân tích hệ phương trình vi phân cơ sở
Cơ sở của mô hình là dựa vào phương trình Saint Venant đối với dòng
chảy không ổn định trên sông, kênh hở.
Cơ sở của việc giải:
- Hệ thống tiếp nước mặt được chia thành ô ruộng.
- Chế độ chảy từ ô ruộng ra kênh được tính theo chế độ chảy tự do.
- Dòng chảy trong kênh biến đổi chậm.
- Biên dưới là đường quá trình Z=f(t) của nơi nhận nước.
- Biên trên là đường quá trình Q=Q(t) và Z=Z(t).
- Các đường quá trình đó là của một thời đoạn cụ thể nào đó.
Hệ phương trình Saint-Venant được viết:


23

 ∂Q ∂Z
 ∂S + ∂t = q


 ∂Z + α 0 ∂Q − αBc + α 0 B Q ∂Z = − Q Q

 ∂S gω ∂t
∂t
K2
gω2


(2-5)

Trong đó:
S - Vị trí mặt cắt trên tuyến dòng chảy;
t - Thời gian;
Q - Lưu lượng, được xem là dương theo chiều dòng chảy;
Z - Cao độ mặt nước so với mặt chuẩn nằm ngang;
ω - Diện tích mặt cắt dòng chảy;
B - Chiều rộng mặt nước dòng chảy;
Bc - Chiều rộng mặt nước dòng chảy và phần chứa hai bên bờ;
K - Modul lưu lượng;
q - Lưu lượng bổ sung trên mỗi đơn vị chiều dài sông (kênh), xem là
dương nếu chảy từ ngoài vào sông (kênh);
α - Hệ số sửa chữa động năng;
α 0 - Hệ số sửa chữa động lượng.
R

R

Các đại lượng B c ,
R

R

α0 αBc + α 0 B
,
được xem là hệ số và lấy trung bình
gω
gω2

đoạn, trung bình thời đoạn, gọi tắt là trung bình 4 điểm. Giả thiết các yếu tố
mực nước và lưu lượng ở đầu và cuối đoạn sông lúc đầu thời đoạn: Z 1 ’, Q 1 ’,
Z 2 ’, Q 2 ’. Cần tìm các yếu tố thuỷ lực này lúc cuối thời đoạn: Z 1 , Q 1 , Z 2 , Q 2 .
R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R


24

t
t
t’

1

2

1’

2’

S
Hình 2-3. Sơ đồ sai phân

Để giải bài toán này, ta sai phân hoá và tuyến tính hoá hệ hai phương

trình trên. Nguyên tắc sai phân như sau:
∂Z Z 2 − Z1
∂Z Z 2 − Z1
;
=
=
∂S
∆S
∂t
∆t
′
′
∂Q  Q1 + Q 2 Q1 + Q 2  1
=
−
 ∆t
∂t 
2
2



(2-6)

Đại lượng bậc hai ở vế phải ở phương trình thứ hai của (2-5) được tách ra
làm 2 phần, lấy trị số lúc cuối thời đoạn. Một phần được đưa thành hệ số
−Q
nhân với trung bình cộng của 2 hàm ẩn.
K2
Với những giả thiết trên, hệ phương trình vi phân được sai phân hoá cho

mỗi đoạn sông (kênh) và mỗi thời đoạn thành 2 phương trình bậc nhất dưới
dạng:
Q 2 − Q1 + β(Z 2 − Z1 ) = Qvf


Z 2 − Z1 + δ(Q 2 + Q1 ) − δ Q 2 ′ + Q1′ − e(Z 2 + Z1 ) = − K (Q 2 + Q1 )

(

)

(2-7)

hoặc:
Q1 = Dy.Z1 − Rj.Z 2 + Hr

Q 2 = Vt.Z1 − De.Z 2 + Hv

(2-8)


25

Trong đó:
β=

Bc ∆S ;
α ∆S ;
αBc + α 0 B
∆S ; Qvf = q.ΔS ;

δ= 0
−Q
e=
2
2 ∆t
2gω ∆t
∆t
gω

Dy =

1+ e
1− e
1+ e
+ β ; Rj =
− β ; Vt =
− β;
δ+K
δ+K
δ+K

(

)

′
′
M = β Z1 + Z 2 . + Qvf ; N =

Hr =

N−M;
N+M
Hv =
2
2

(

)

De =

(

1− e
;
+β
δ+K

δ
e
′
′
′
′
Q1 + Q 2 −
Z1 + Z 2
δ+K
δ+K

);

(2-9)

2.2.2. Áp dụng hệ phương trình vi phân cơ sở và cách giải bài toán
Mạng sông hoặc mạng kênh (gọi tắt là mạng) gồm những đoạn sông hoặc
kênh (gọi tắt là đoạn) và những nút hoặc mặt cắt chia đoạn. Đoạn ở đây có
thể là sông hoặc kênh thực sự hoặc đoạn công trình hoặc đường nối tâm.
Nút ở đây là điểm giao nhau của các đoạn (2, 3 hoặc nhiều đầu) hoặc là
điểm chia đoạn. Nút có thể gắn với hồ chứa hoặc một cánh đồng có diện tích
mặt nước F.
Dọc theo đoạn nào đó có thể có khu chứa như hồ nước hoặc cánh đồng
ngập nước và có thể có lưu lượng bổ sung từ ngoài vào Q vf , coi như phân bố
đều trên đoạn.
R

R

Xét mạng có n nút. Với mỗi đoạn ta có hệ hai phương trình vi phân trên,
ta sẽ ghép các phương trình cho toàn mạng sông nhờ 2 điều kiện sau:
- Mực nước ở mỗi nút là là mực nước đầu của đoạn dưới và là mực nước
cuối của đoạn trên.
- Tổng lưu lượng chảy đến và chảy đi ở mỗi nút trong thời đoạn ∆t bằng
sự biến đổi dung tích khu chứa trong thời đoạn, thể hiện qua biểu thức sau:

∑ Q §Õn − ∑ Q §i = F

∆Z
∆t

(2-10)

Nhờ đó ta sẽ viết được hệ 2 phương trình sai phân (2-8) thành phương
trình bậc nhất với ẩn số là mực nước Z tại các nút.
Thí dụ, trong một mạng gồm n nút, ta xét một nút C nào đó như ở hình 23. Tại nút này có cánh đồng ngập nước có quan hệ điạ hình F C =F(Z C ) và có
R

R

R

R