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
LỜI CẢM ƠN
Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Thủy lợi, Phòng Đào
tạo đại học và sau đại học, Khoa Kỹ thuật quản lý tài nguyên nước và tồn thể các
thầy, cơ giáo của nhà trường đã giúp đỡ tác giả trong quá trình làm Luận văn này
cũng như trong suốt thời gian học tập tại trường. Đặc biệt, học tác giả xin bày tỏ
lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS. Dương Thanh Lượng, người thầy trực tiếp hướng
dẫn khoa học, đã hết lòng giúp đỡ, tận tình giảng giải cho tác giả trong suốt quá
trình thực hiện luận văn này.
Trong quá trình làm luận văn, tác giả đã có cơ hội học hỏi và tích lũy thêm
được nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu phục vụ cho cơng việc của mình. Tuy
nhiên, do thời gian có hạn, trình độ cịn hạn chế, số liệu và công tác xử lý số liệu với
khối lượng lớn nên những thiếu sót của Luận văn là khơng thể tránh khỏi. Do đó,
tác giả rất mong tiếp tục nhận được sự chỉ bảo giúp đỡ của các thầy cô giáo cũng
như những ý kiến đóng góp của bạn bè và đồng nghiệp.
Tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn tới các bạn trong lớp 21CTN21, các anh,
chị khóa trước đã động viên, đóng góp ý kiến và hỗ trợ trong suốt quá trình học tập
và làm luận văn.
Ngày 28 tháng 11 năm 2015
Tác giả

Nguyễn Quang Tuyến


ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng, luận văn “Ứng dụng mơ hình tốn để nghiên cứu
đánh giá khả năng thốt nước quận Cầu Giấy (Lưu vực sơng Tơ Lịch - Hà Nội)
và đề xuất các giải pháp cải tạo - nâng cấp” là cơng trình nghiên cứu khoa học
của riêng tôi. Các số liệu là trung thực, kết quả nghiên cứu của luận văn này chưa
từng được sử dụng trong bất cứ một luận văn nào khác mà đã bảo vệ trước.

Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được cảm
ơn và các thông tin, tài liệu tham khảo đều được ghi rõ nguồn gốc trích dẫn.

Ngày 28 tháng 11 năm 2015
Tác giả

Nguyễn Quang Tuyến


iii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ i
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... vii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ...................................3
1.1 Sơ lược về các phương pháp tiếp cận nghiên cứu thốt nước đơ thị ..............3
1.1.1 Trên thế giới.............................................................................................3
1.1.2 Ở Việt Nam ..............................................................................................5
1.2 Giới thiệu một số mơ hình mơ phỏng thốt nước đơ thị .................................7
1.2.1 Mơ hình SWMM .......................................................................................7
1.2.2 Mơ hình Sobek .......................................................................................10
1.2.3 Mơ hình Mike Urban .............................................................................11
1.2.4 Mơ hình StormNet ..................................................................................13
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO MƠ HÌNH TỐN THỦY LỰC
THỐT NƯỚC ĐƠ THỊ ........................................................................................16
2.1 Cơ sở lý thuyết cho mơ hình tốn thủy lực .....................................................16
2.1.1 Mơ hình thủy lực Mike Urban .................................................................16

2.1.2 Mơ hình thủy lực SWMM .........................................................................18
2.2 Lựa chọn mơ hình tốn mơ phỏng mưa dịng chảy ........................................23
2.3 Dữ liệu đầu vào mơ hình mưa SWMM ..........................................................25
2.3.1 Dữ liệu đầu vào .......................................................................................25
2.3.2 Hiện trạng tuyến cống .............................................................................26
2.3.3 Cao độ san nền ........................................................................................28
2.3.4 Lượng mưa ..............................................................................................29


iv
CHƯƠNG III: MƠ PHỎNG HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG THỐT NƯỚC
LƯU VỰC SÔNG TÔ LỊCH TRÊN ĐỊA BÀN QUẬN CẦU GIẤY ..................31
3.1 Giới thiệu về lưu vực nghiên cứu thoát nước Quận Cầu Giấy .....................31
3.2 Hiện trạng thoát nước Quận Cầu Giấy (lưu vực sông Tô Lịch) ...................37
3.2.1 Hiện trạng hệ thống thoát nước .............................................................37
3.2.2 Hiện trạng hồ trong khu vực ..................................................................38
3.2.3 Tình trạng ngập úng trong vùng ............................................................39
3.3 Thiết lập mơ phỏng tính tốn thốt nước ......................................................45
3.3.1 Tính tốn, lựa chọn mơ hình mưa thiết kế .............................................45
3.3.2 Mơ phỏng hiện trạng hệ thống bằng SWMM ........................................50
3.3.3 Kết quả mô phỏng ..................................................................................53
3.4 Đánh giá khả năng làm việc của hệ thống ....................................................54
CHƯƠNG IV: ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN CẢI TẠO, NÂNG CẤP HỆ THỐNG
THOÁT NƯỚC QUẬN CẦU GIẤY .....................................................................55
4.1 Đề xuất các phương án cải tạo, nâng cấp hệ thống thoát nước .....................55
4.1.1 Theo phương pháp cường độ giới hạn ..................................................55
4.1.2 Theo mơ hình SWMM ............................................................................62
4.2 Mơ phỏng các phương án đề xuất .................................................................62
4.2.1 Phương án khơng có hồ điều hịa ..........................................................62
4.2.2 Phương án có hồ điều hịa .....................................................................63

4.2.3 Nhận xét chung ......................................................................................64
4.3 Đề xuất giải pháp quản lý điều hành hệ thống thoát nước ............................64
4.3.1 Dự báo úng ngập ...................................................................................65
4.3.2 Xây dựng kế hoạch thoát nước ..............................................................65
4.3.3 Quan trắc và quản lý thông tin dữ liệu ..................................................66
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................68
PHỤ LỤC .................................................................................................................69
Phụ lục 1: Thống kê diện tích các tuyến cống ......................................................69


v
Phụ lục 2: Tính tốn thủy lực các tuyến cống ......................................................76
Phụ lục 3: Kết quả tính tốn theo phương pháp cường độ giới hạn .....................80
Phụ lục 4: Kết quả mô phỏng bằng mơ hình SWMM ..........................................83
Phụ lục 5: Trắc dọc một số tuyến cống...............................................................120


vi
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Sơ đồ minh họa mực nước ở các bước thời gian tiếp theo .......................18
Hình 2.2: Cao độ hiện trạng của khu vực nghiên cứu ...............................................29
Hình 3.1: Bản đồ giới hạn khu vực nghiên cứu ........................................................32
Hình 3.2: Các phương tiện ùn ứ trên đường Xuân Thủy ..........................................40
Hình 3.3: Mưa lớn gây ùn tắc giờ cao điểm..............................................................41
Hình 3.4: Mưa lớn gây ngập trong khuôn viên trường Đại học Quốc gia ................41
Hình 3.5: Mưa lớn gây ùn tắc trên đường vành đai 3 ...............................................42
Hình 3.6: Các cơng nhân túc trực tại điểm ngập .......................................................42
Hình 3.7: Mơ hình mưa thiết kế trận mưa 3h max, tần suất 2 năm ..........................48
Hình 3.8: Mơ hình mưa thiết kế trận mưa 3h max, tần suất 10 năm ........................48

Hình 3.9: Mơ hình mưa thiết kế trận mưa 24h max, tần suất 2 năm ........................49
Hình 3.10: Mơ hình mưa thiết kế với trận mưa 24h max, tần suất 10% ...................49
Hình 3.11: Khai báo các thơng số mặc định trong SWMM......................................51
Hình 3.12: Các thơng số cơ bản trong SWMM ........................................................52
Hình 3.13: Sơ đồ mơ phỏng khu vực nghiên cứu .....................................................52
Hình 3.14: Đường quan hệ về lượng nước của lưu vực ứng với trận mưa 24h max 54
Hình 4.1: Sơ họa chương trình tính tốn thủy lực.....................................................58
Hình 4.2: Đường quan hệ lượng nướcphương án 1 ..................................................63
Hình 4.3: Đường quan hệ lượng nướcphương án 2 ..................................................64
Hình PL 4.1: Tương quan lượng nước đến tại nút D0 và F0 phương án 1 .............118
Hình PL 4.2: Quan hệ lượng nước đến và ngập tại nút B1 phương án 1 ................118
Hình PL 4.3: Tương quan lượng nước đến tại nút D0 và F0 phương án 2 .............119
Hình PL 4.4: Quan hệ lượng nước đến và ngập tại nút B1 phương án 2 ................119
Hình PL 5.1: Trắc dọc tuyến cống đường Hồng Quốc Việt (đoạn 1) ...................120
Hình PL 5.2: Trắc dọc tuyến cống đường Hồng Quốc Việt (đoạn 2) ...................120
Hình PL 5.3: Trắc dọc tuyến cống đường Trần Quốc Hoàn – Tơ Hiệu ..................121
Hình PL 5.4: Trắc dọc tuyến cống đường Cầu Giấy...............................................121
Hình PL 5.5: Trắc dọc tuyến cống đường Nguyễn Khánh Toàn ............................122


vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Bảng thống kê các tuyến cống hiện trạng .................................................26
Bảng 2.2: Bảng tổng hợp kích thước cống hiện trạng ..............................................28
Bảng 2.3: Thống kê lượng mưa tại trạm Láng ..........................................................29
Bảng 3.1: Lượng mưa tương ứng với tần suất tính tốn ...........................................46
Bảng 3.2: Giá trị các tham số của đường DDF .........................................................46
Bảng 3.3: Thống kê diện tích các tiểu khu ................................................................50
Bảng 3.4: Thống kê các nút ngập với trận mưa 24h max, tần suất 2 năm ................53
Bảng 4.1: Hệ số dòng chảy .......................................................................................56

Bảng 4.2: Thống kê tuyến cống theo phương pháp cường độ giới hạn ....................59
Bảng 4.3: Tổng hợp chiều dài các tuyến cống làm lại theo phương pháp cường độ
giới hạn ......................................................................................................................61
Bảng 4.4: Kết quả tính tốn phương án khơng có hồ điều hịa .................................62
Bảng 4.5: Kết quả tính tốn phương án hồ điều hịa .................................................63
Bảng PL3.1: Bảng so sánh kết quả tính theo phương pháp cường độ giới hạn ........80
Bảng PL3.2: Bảng tổng hợp khối lượng cống làm lại ..............................................82
Bảng PL4.1: Kết quả mô phỏng lưu vực thốt nước hiện trạng ...............................83
Bảng PL4.2: Kết quả mơ phỏng lưu vực thoát nước phương án 1 .........................100
Bảng PL4.3: Kết quả mơ phỏng lưu vực thốt nước phương án 2 .........................109


1
MỞ ĐẦU
I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Hệ thống thốt nước quận Cầu Giấy lưu vực sông Tô Lịch – Hà Nội là một
phần quan trọng trong toàn bộ hệ thống thoát nước chung thành phố Hà Nội.
Trong những năm gần đây do quá trình phát triển kinh tế - xã hội, tốc độ đơ thị
hố nhanh, nhiều dự án lớn đã đang triển khai và sắp triển khai. Nhiều khu đơ thị,
khu dân cư hình thành nhanh chóng kéo theo sự thay đổi về nhu cầu thoát nước
trong khu vực. Các khu đơ thị, khu dân cư mới hình thành làm thu hẹp đất sản xuất
nông nghiệp, san lấp nhiều ao hồ, đồng ruộng, làm giảm khả năng trữ nước, chôn
nước dẫn đến làm tăng hệ số tiêu nước.
Mặt khác, tình hình thời tiết càng ngày càng diễn biến phức tạp khó dự đốn.
Hệ thống thốt nước chung lâu năm đã xuống cấp, bị bồi lắng làm thu hẹp tiết diện
thốt nước dẫn đến phải thường xun duy trì nạo vétgây tốn kèm nhiều kinh phí,...
do đó khơng thể đáp ứng được yêu cầu thoát nước hiện tại cũng như tương lai.
Vì vậy việc nghiên cứu đánh giá cũng như mơ phỏng, hệ thống thốt nướckhi
xét đến hồ điều hòa nhằm tạo các cơ sở khoa học để đề xuất các giải pháp cải tạo,
nâng cấp hệ thống thoát nước quận Cầu Giấy lưu vực sông Tô Lịch – Hà Nội là hết

sức cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn.
II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
-

Mơ phỏng, đánh giá thực trạng khả năng thoát nước của hệ thống thốt nước
quận Cầu Giấy(lưu vực sơng Tơ Lịch – Hà Nội) có xét đến hồ điều hịa.

-

Đề xuất các giải pháp cải tạo, nâng cấp hệ thống nhằm đáp ứng u cầu thốt
nước đơ thị trong tương lai.

III. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
1. Đối tượng nghiên cứu
Khu vực quận Cầu Giấy (lưu vực sông Tô Lịch – Hà Nội).
2. Phạm vi nghiên cứu
Hệ thống thoát nước quận Cầu Giấy(lưu vực sông Tô Lịch - Hà Nội)


2
IV. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1. Cách tiếp cận
-

Tiếp cận thực tế: Đi khảo sát, nghiên cứu, thu thập các số liệu của hệ thống
thoát nước.

-

Tiếp cận hệ thống: Tiếp cận, tìm hiểu, phân tích hệ thống từ tổng thể đến chi

tiết, đầy đủ và hệ thống.

-

Tiếp cận các phương pháp nghiên cứu mới về thoát nước đô thị trên thế giới.

2. Phương pháp nghiên cứu
-

Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa.

-

Phương pháp kế thừa.

-

Phương pháp phân tích, thống kê

-

Phương pháp mơ hình tốn.

-

Phương pháp mơ hình thủy văn, thủy lực


3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Sơ lược về các phương pháp tiếp cận nghiên cứu thoát nước đô thị
1.1.1 Trên thế giới
Hiện nay dân số thế giới sống trong các thành phố lớn ngày càng tăng nhanh.
Đáp ứng nhu cầu đó, diện tích đất đơ thị cũng ngày càng gia tăng, trong khi đó cơ
sở hạ tầng về cấp thốt nước cho đơ thị khơng đáp ứng kịp thời. Hiện nay trên thế
giới nhiều thành phố lớn vẫn đang bị úng ngập và lũ lụt đe dọa. Các chun gia về
quy hoạch và thốt nước đơ thị trên thế giới đã từ hơn 30 năm nhận ra rằng cách tốt
nhất để đương đầu với ngập lụt trong đô thị không phải là xây thêm trạm bơm, đắp
thêm đê hay lắp đặt thêm cống mà chúng ta cần thêm khơng gian cho nước. Đó là
giải pháp bền vững hơn khi khơng làm biến đổi dịng chảy đột ngột như xây đập,
đắp đê hay tơn nền cơng trình. Gia tăng không gian cho mặt nước và cây xanh tự
nhiên không chỉ làm giảm nguy cơ ngập lụt mà cịn tạo cảnh quan cho đơ thị.
Gần đây Ngân hàng thế giới đã nghiên cứu và đưa ra cuốn cẩm nang
“Hướng dẫn quản lý tổng hợp rủi ro ngập lụt đô thị trong thế kỷ 21”. Theo cẩm
nang này, giải pháp hiệu quả nhất để quản lý nguy cơ lũ lụt là áp dụng phương pháp
tiếp cận tổng hợp, trong đó kết hợp cả hai biện pháp cấu trúc và phi cấu trúc, bao
gồm xây dựng hệ thống kênh thoát nước và dẫnlũ; kết hợp “đô thị xanh” như đất
ngập nước và vùng đệm môi trường; xây dựng hệ thống cảnh báo lũ lụt; quy hoạch
sử dụng đất để chống ngập lụt.
Đại học Quốc gia Singapore (NUS) với ý tưởng nghiên cứu: áp dụng các bề mặt
thẩm thấu cho những con đường nhỏ và vỉa hè nhằm ngăn chặn tình trạng lũ lụt cục
bộ tại đô thị bằng cách làm chậm lại dòng nước đổ vào cống rãnh sau mưa lớn.Những
bề mặt thẩm thấu có một lớp bêtơng rỗ và một lớp sỏi. Khoảng 30-40% khoảng trống
giữa lớp bê tông và sỏi này được dùng để tích nước, sau đó nước sẽ chảy qua một lớp
vải thẩm thấu trước khi được xả qua những đường nhỏ đổ vào cống. Toàn bộ q
trình này có thể giúp trữ số nước mưa đổ xuống trong vài giờ.


4
Ngoài việc áp dụng những ý tưởng nghiên cứu trên thế giới chúng ta cũng nên đi

sâu tìm hiểu kinh nghiệm đối phó với ngập lụt ở các thành phố lớn trên thế giới từ
đây đúc rút ra được ý tưởng nghiên cứu phù hợp với đô thị ở Việt Nam như :
Ở Nhật Bản để phòng chống lụt lội, Nhật Bản đã xây dựng hệ thống cống
ngầm dẫn nước lũ lớn nhất thế giới ở thành phố Saitama, gần Tokyo, vào năm 1992.
Theo Weird Asia News, cơng trình bao gồm 5 giếng đứng bê tông lớn, cao 65 m,
rộng 32 m, nối liền với nhau bằng hệ thống đường hầm dài 6,4 km, nằm sâu 50 m
tính từ mặt đất. Các kiến trúc sư cũng xây 59 cột bê tông cốt thép giúp chống đỡ
trọng lượng trần nhà. Nước lũ được hút vào các giếng và xả ra sông Eldo.
Ở Anh thủ đô London rất dễ ngập lụt, đặc biệt khi những cơn bão mạnh khiến
nước sông Thames dâng cao. Tuy nhiên, người dân London có thể yên tâm nhờ
cơng trình đê chắn nước trên sơng Thames mang tên Thames Barrier, bắt đầu đi vào
hoạt động từ năm 1982. Skift đưa tin, cơng trình dài nửa kilomet, bao gồm 10 cổng
thép cao bằng tòa nhà 5 tầng. Theo Cơ quan Môi trường Anh, hệ thống ngăn lũ này
sẽ tồn tại đến năm 2070.
Ở Hà Lan theo The Guardian, Hà Lan được coi là một trong những quốc gia đi
đầu về lĩnh vực phịng ngừa lũ lụt. Khơng chỉ tạo ra những con kênh chằng chịt để
dẫn nước, chính phủ Hà Lan còn xây dựng hệ thống rào chắn ngăn lũ
Maeslantkering, bao gồm các đập nước di động vừa giúp ngăn lũ hiệu quả vừa
không gây cản trở giao thông đường thủy.
Hay ở quốc gia thuộc khu vực Đông Nam Á là Campuchia sau trận lũ lịch sử
vào tháng 11/2011 khiến nhiều khu vực ở tỉnh Siem Reap bị ngập lụt nặng nề. Dưới
sự chỉ đạo của Bộ Tài nguyên nước và Khí tượng Campuchia, chính quyền tỉnh đã
xây dựng một đập nước ở đền thờ Ta Soum để ngăn lụt lội. Đồng thời, người dân
địa phương cũng được hướng dẫn xây móng nhà cao hơn, làm lại đường làng và
dựng những con đập nhỏ.Sau này, dù phải hứng chịu nhiều đợt mưa lớn và liên tục,
Siem Reap khơng cịn bị ngập lụt, do nước mưa có thể thốt nhanh vào hồ Tonle
Sap ở gần đó.
Trên là một số giải pháp và kinh nghiệm thoát nước đang được nghiên cứu và
triển khai trên thế giới, tất cả đều hướng đến việc xây dựng giải pháp thoát nước
bền vững(SUDS). Việc áp dụng các giải pháp thoát nước được xây dựng dựa trên

mơ hình, cụ thể mơ hình mơ phỏng thốt nước đô thị. Hiện trên thế giới, nghiên cứu


5
thốt nước đơ thị đã có nhiều thành tựu và được phân theo các hướng như bán kinh
nghiệm, thực nghiệm, mơ hình.v.v Các mơ hình mơ phỏng thốt nước được đặt cơ
sở trên việc sơ đồ hóa một hay nhiều chiều. Đây là những mơ hình thủy lực, thủy
văn động lực học mơ phỏng mưa dịng chảy, dự báo lũ, tối ưu hóa hệ thống thốt
nước... Mơ phỏng thường được thực hiện trên cơ sởcủa chuyển động nước và bùn,
phát tán và các q trình hóa học.
Trong lĩnh vực mơ hình hóa, ngay từnhững năm 1930, các nhà khoa học đã cố
gắng tìm hiểu mối quan hệ giữa yếu tố vật chất trong q trình chuyển động đã
thành cơng với những nghiên cứu của Bagnold, (1936, 1937) và sau đó được phát
triển bởi Einstein (1950). Một trong những cơng trình nghiên cứu đầu tiên liên quan
đến mơ hình vận chuyển vật chất trong chất lỏng được Eistein và Chien xây dựng
năm 1955.
Nhiều mơ hình thương mại mơ phỏng thốt nước trên cơ sở kết hợp giữa mơ
hình thủy độnglực và mơ hình vận chuyển và khuếch tán vật chất đã được xây dựng.
Các mơ hình thốt nước hiện nay thường dùng bao gồm: Sobek, Mike
Urban,Stormnet,SWMM .
1.1.2 Ở Việt Nam
Nước ta nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa ẩm ướt với lượng mưa trung bình
1000 - 2000 mm/năm. Lượng mưa tập trung hầu hết vào các tháng mùa mưa với
cường độ mưa lớn và có sự biến động mạng theo không gian, nguyên nhân gây ra là
do bão, áp thấp nhiệt đới, dông…
Cũng như các đô thị khác trên thế giới, các đô thị ở Việt Nam phát triển
mạnh, dân số tăng nhanh; đặc biệt là sau ngày đất nước thống nhất. Nhu cầu về nhà
ở của các thành phố đã trở thành vấn đề lớn của xã hội. Sự cơi nới, mở rộng tự phát,
lấn chiếm đất đai, các hệ thống dẫn nước có nhiều đoạn bị thu hẹp, hồ ao bị san
lấp. Bên cạnh đó, hệ thống tiêu thốt nước đã được xây dựng từ lâu, nhiều đoạn

khơng còn giá trị sử dụng, quản lý vận hành yếu, thiếu kinh phí tu bổ… làm cho
hiện tượng úng ngập thường xuyên xảy ra khi mùa mưa đến.


6
Với nhiều thành tựu của công cuộc đổi mới, mạng lưới các đô thị của Việt Nam
đang ngày càng được phát triển mở rộng và thực sự trở thành động lực
chính thúcđẩy phát triển kinh tế. Cũng như các đơ thị khác trên thế giới, sự phát
triển đô thị tại Việt Nam cũng đang bộc lộ nhiều hạn chế và yếu kém về hạ tầng kỹ
thuật và ô nhiễm môi trường. Nhiều cơng trình hạ tầng kỹ thuật nói chung đang ở
tình trạng xuống cấp, việc đầu tư xây dựng mới còn chậm và chưa đáp ứng nhu cầu.
Hệ thống thốt nước của các đơ thị tại Việt Nam thường chung cho tất cả các loại
nước thải, nước mưa, hệ thống này hầu hết được xây dựng qua nhiều thời kỳ khác
nhau, chất lượng quy hoạch còn chưa cao, chưa hồn chỉnh, thiếu đồng bộ trong đó
có nhiều tuyến cống xuống cấp nên khả năng tiêu thoát nước thấp. Nước thải hầu
như chưa được xử lý xả thẳng vào nguồn tiếp nhận.
Trong những năm gần đây đặc biệt là các đơ thị lớn như Hà Nội, thành phố
Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Cần Thơ… người dân luôn phải đối mặt với tình trạng
úng ngập khi gặp những trận mưa lớn, hoặc nước thuỷ triều dâng.
Ở Việt Nam, đến nay đã có một số nghiên cứu tính tốn cho thốt nước đơ thị
sử dụng các mơ hình mơ phỏng thốt nước như:
- Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu cải tạo và mở rộng hệ thống thoát nước
thành phố Hội An đến năm 2020” của tác giả Huỳnh Viết Bi - Kiểm tra kết quả tính
tốn thốt nước mưa bằng mơ hình thủy lực SWMM.
- Luận văn “Nghiên cứu cải tạo quy hoạch hệ thống thoát nước khu dân cư
khuê trung, thành phố Đà Nẵng” của tác giả Nguyễn Thiện - Tính tốn dịng chảy
trong đơ thị, mơhình quản lý nước mưa bằng SWMM
- Đồ án “Quy hoạch khu dân cư Phước Mỹ Trung đến năm 2020” có áp dụng
mơ hình kết hợp mơ hình Autocad civil 3D - Stormnet để thiết kế tính tốn và quản
lý mạng lưới thốt nước mưa.

- Hay việc sử dụng mơ hình SOBEKđã được ứng dụng trong các nghiên cứu
thuộc các lưu vực sông ở Hà Lan, Bangladet, Australia… và mới đây (năm 2003)
SOBEK đã được áp dụng cho hai khu vực Trà Bồng và Trà Khúc (thuộc tỉnh Quảng
Ngãi)...


7
1.2 Giới thiệu một số mơ hình mơ phỏng thốt nước đơ thị
1.2.1 Mơ hình SWMM
Mơ hình quản lý nước mặt SWMM của Epa là mơ hình động lực học dịng chảy
mặt do nước mưa tạo nên, dùng để mơ phỏng dòng chảy một thời đoạn hoặc dòng
chảy nhiều thời đoạn (thời gian dài) cả về lượng và chất. SWMM chủ yếu được
dùng cho các đô thị.Thành phần Runoffcủa SWMM đề cập đến một tổ hợp các tiểu
lưu vực nhận lượng mưa (kể cả tuyết), tạo thành dòng chảy và vận chuyển chất ơ
nhiễm. Phần mơ phỏng dịng chảy tuyến của SWMM đề cập đến sự vận chuyển
dòng chảy nước mặt qua một hệ thống các ống, các kênh, các cơng trình trữ hoặc
điều tiết nước, các máy bơm và các cơng trình điều chỉnh nước.SWMM xem xét
khối lượng và chất lượng của nước trong mỗi đường ống và kênh dẫn trong suốt
thời gian mô phỏng bao gồm nhiều bước thời gian.
SWMM ra đời bắt đầu từ năm 1971 và đến nay đã trải qua một số lần nâng cấp
lớn, SWMM luôn luôn được sử dụng rộng rãi khắp thế giới cho các cơng tác quy
hoạch, phân tích và thiết kế liên quan đến dòng chảy do nước mưa, bao gồm mạng
lưới thoát nước mưa, mạng lưới thoát nước thải và các hệ thống tiêu nước khác
trong các vùng đô thị, trong đó cũng có thể bao gồm cả những diện tích khơng phải
là đất đơ thị. Chạy dưới WinDows, SWMM 5 tạo ra một mơi trường hịa hợp cho
việc soạn thảo số liệu đầu vòa của vùng nghiên cứu, chạy các mơ hình thủy lực và
chất lượng nước, xem kết quả ở nhiều dạng khác nhau. Có thể quan sát bản đồ vùng
tiêu và hệ thống đưỡng dẫn theo mã màu, xem các dãy số theo thời gian, các bảng
biểu, hình vẽ mặt cắt dọc tuyến dẫn nước và các phân tích xác suất thống kê.
Phiên bàn mới nhất của SWMM được xuất trình bởi phịng Cấp thốt nước,tài

ngun nước và Viện nghiên cứu quản lý rủi ro quốc gia, Cục bảo vệ môi trường
Hoa Kỳ, với sự giúp đỡ từ cơng ty tư vấn CMD Inc.
Mơ hình SWMM mô phỏng các dạng mưa thực tế trên cơ sở lượng mưa (biểu
đồ quá trình mưa hàng năm) và các số liệu khí tượng đầu vào khác cùng với hệ
thống mô tả (lưu vực, vận chuyển, hồ chứa / xử lý) để dự đoán các trị số chất lượng
và khối lượng dòng chảy.


8

Hình 1.1: Các khối xử lý chính trong mơ hình SWMM
Các modun của mơ hình:
Khối “dịng chảy” (Runoff block) tính tốn dịng chảy mặt và ngầm dựa trên
biểu đồ q trình mưa (và/hoặc tuyết tan) hàng năm, điều kiện ban đầu về sử dụng
đất và địa hình.
Khối “truyền tải” (Transport block) tính tốn truyền tải vật chất trong hệ thống
nước thải.
Khối “chảy trong hệ thống” (Extran block) diễn toán thủy lực dòng chảy phức
tạp trong cống, kênh…
Khối “Trữ/xử lý“ (Strorage/Treatment block) biểu thị các cơng trình tích nước
như ao hồ…và các cơng trình xử lý nước thải, đồng thời mơ tả ảnh hưởng của các
thiết bị điều khiển dựa trên lưu lượng và chất lượng - các ước toán chi phí cơ bản
cũng được thực hiện.


9
Khối “nhận nước” (Receiving block) Mơi trường tiếp nhận.
Mục đích ứng dụng mơ hình tốn SWMM cho hệ thống thốt nước được triển
khai nhằm:
-

Xác định các khu vực cần xây mới hoặc mở rộng cống thốt nước để giảm

tình trạng ngập lụt đường phố hoặc cung cấp dịch vụ thoát nước thải cho những khu
vực mới phát triển.
-

Ước tính lưu lượng nước lũ trong kênh và các chi lưu để xác định vị trí của

kênh cần cải thiện nhằm giảm thiểu tình trạng tràn bờ.
-

Cung cấp cơng cụ quy hoạch để đánh giá việc thực hiện các cống chắn

dòng dọc kênh.
Những ứng dụng điển hình của SWMM:
- Thiết kế và bố trí các thành phần của hệ thống tiêu để kiểm sốt lũ.
- Bố trí các cơng trình trữ nước(điều hịa nước) và các thiết bị của chúng để
kiểm sốt lũ và bảo vệ chất lượng nước.
- Lập bản đố ngập lụt của các hệ thống kênh tự nhiên.
- Vạch ra các phương án làm giảm hiện tượng chảy tràn của mạng lưới thoát
nước hỗn hợp.
- Đánh giá tác động của dòng chảy tràn vào và dòng thấm lên sự chảy tràn
của hệ thống thoát nước thải
- Tạo ra hiệu ứng của BMP để làm giảm sự tải chất ô nhiễm khi trời mưa.
Ưu nhược điểm SWMM:
+ Ưu điểm:
- SWMM có thể tính tốn được nhiều q trình và mơ phỏng thủy lực linh hoạt
- Chương trình nhẹ, miễn phí ít tốn tài nguyên máy, giao diện thân thiện dễ
sử dụng với người dùng.

- Kết quả mô phỏng tương đối chính xác, đã được kiểm định trong thực tế
- Đây là phần mềm miễn phí, có thể download trực tiếp trên mạng.


10
- Lượng người sử dụng đông, thuận lợi trong quá trình xây dựng cơ sở dữ
liệu và trao đổi thơng tin với nhau.
+ Nhược điểm:
- Khơng có sự liên kết với các mơ hình khác, trong việc xây dựng cơ sở dữ
liệu và xuất kết quả, do vậy kết quả thể hiện chưa chi tiết.
- Không mô phỏng được hai chiều, tạo được bản đồ ngập lụt, do vậy đối với
các yêu cầu thể hiện bản đồ vị trí ngập thì phần mềm chưa thực hiện được.
1.2.2 Mơ hình Sobek
Tính năng cơ bản:
Bộ mơ hình 1D/2D Sobek là một bộ mơ hình mạnh mẽ để dự báo lũ, tối ưu hóa
hệ thống thốt nước, điều khiển hệ thống dẫn nước, thiết kế cống thốt nước cho
dịng nước lũ, hình thái sông, ngập mặn và chất lượng nước mặt.Để hỗ trợ các nhà
chức trách, các hãng nghiên cứu và các trường đại học trên toàn thế giới, Deltares
đưa ra một bộ mơ hình tích hợp sẵn gọi là Sobek.Đây là bộ mơ hình mạnh mẽ để dự
báo lũ, tối ưu hóa hệ thống thoát nước, điều khiển hệ thống dẫn nước, thiết kế cống
thốt nước cho dịng nước lũ, hình thái sơng, xâm nhập mặn và chất lượng nước
mặt. Sobekcó thể mô phỏng tất cả các vấn đề quản lý trong khu vực sông và hệ
thống cửa sông, hệ thống dẫn nước và thoát nước, hệ thống nước thải và nước mưa.
Khả năng của chương trình:
Mơ hình cho phép bạn mơ phỏng sự tương tác của nước và các quá trình nước
có liên quan trong thời gian và khơng gian. Bộ phần mềm hầu như đã sử dụng để
mơ hình hóa hệ thống nước tích hợp quản lý nước, thiết kế, lên kế hoạch và hoạch
định chính sách. Sobek bao gồm một số chương trình thử nghiệm và đã xác nhận,
được liên kết và tích hơp với nhau.
Ưu nhược điểm Sobek:

+ Ưu điểm:
-

Sobek được thiết kế tích hợp với giao diện GIS. Kết quả tính tốn được xuất
ra ngay dưới dạng bản đồ ngập lụt hoặc phân bố trường vận tốc.


11
-

Phần mềm có khả năng cho phép mơ phỏng hệ thống theo thời gian thực
(Real Time Control - RTC) dựa các các số liệu, đo đạc quan trắc trên hệ
thống và được cập liên tục giúp quản lý, giám sát vận hành các cơng trình
khai thác hệ thống Tài ngun nước một cách tốt nhất.

-

Gồm nhiều modul đơn lẻ, đáp ứng cho các u cầu khác nhau trong tính
tốn.

+ Nhược điểm:
-

Với bài toán lớn, phức tạp phần mềm mất nhiều thời gian xử lý.

-

Đây là phần mềm thương mại, khó download. Ở Việt Nam được tiếp cận
được phần mềm thường là thông qua việc hỗ trợ thực hiện các dự án do phía
Hà Lan tài trợ

-

Giao diện chưa thân thiện, với người sử dụng lần đầu sẽ gặp nhiều khó khăn.

-

Việc nhập dữ liệu đầu vào chưa được tối ưu, với bài tốn có nhiều mặt cắt sẽ
khó khăn trong trong việc nhập. Với mạng lưới lớn, việc di chuyển đến các
vị trí khác nhau gặp nhiều khó khăn.

1.2.3 Mơ hình Mike Urban
Mike Urban là phần mềm lập mơ hình cấp thốt nước đơ thị, khả dụng, độ linh
hoạt cao, tính mở, được tích hợp với hệ thống GIS, sử dụng mơ hình tính tốn hiệu
quả ổn định và tin cậy về khoa học. Mike Urban có thể tính tốn và mơ phỏng tồn
bộ mạng lưới nước trong thành phố bao gồm hệ thống cấp nước, hệ thống thoát
nước mưa và nước thải trong một hệ thống thoát thải gộp hoặc riêng biệt. Một số
ứng dụng điển hình của phần mềm Mike Urban:
Lập mơ hình Hệ thống thốt nước:
-

Lập mơ hình hệ thống thốt nước thải và nước mưa.

-

Quản lý hệ thống nước thải.

-

Lập kế hoạch tổng thể thoát nước.

-

Dự báo ngập lụt cục bộ (vị trí ngập và mức độ ngập).

-

Phân tích hệ thống thốt thải gộp (SCOs) và hệ thống riêng biệt (SSOs).


12

-

Đánh giá khả năng chịu tải của hệ thống cống và những điểm bị tắc nghẽn

-

Ước tính lượng vận chuyển bùn cát và bồi lắng trong hệ thống cống.

-

Phân tích chất lượng nước và các vấn đề bùn cát

-

Tối ưu hoá và thiết kế các giải pháp vận hành theo thời gian thực (Real-Time
Control Solution)

-

Lập mơ hình theo thời gian thực (RTC Model) nhúng trong các giải pháp vận
hành theo thời gian thực (RTC Solution)

Lập mơ hình Hệ thống cấp nước:
-

Quản lý áp lực nước và áp lực khu vực

-

Ước tính nhu cầu nước tại nút cấp

-

Phân tích lưu lượng dòng chảy và áp lực trong đường ống dành cho cứu hoả

-

Dự báo tuổi của nước và hàm lượng clo trong ống

-

Dự báo sự lan truyền và xác định vị trí của các chất ơ nhiễm có trong nước

-

Lập kế hoạch dự phịng và đánh giá rủi ro

-

Lập quy mơ và tính tốn kích thước hồ chứa, bể chứa

Các modun của mơ hình:
Hệ thống thốt nước dựa trên 2 lõi tính tốn lập mơ hình là MOUSE-HD và
SWMM5. Gồm có các Module con:
-

CS – PipeFlow: Mơ phỏng dịng chảy khơng ổn định trong ống và kênh dẫn.

-

CS – Control: Được xem là có khả năng vận hành giám sát theo thời gian
thực các đập tràn, cửa xả, máy bơm…Nó cho phép mô tả hoạt động của các
thiết bị điều khiển và đưa ra lô gic rõ ràng về cách thức vận hành của thiết bị
điều khiển.

-

CS – Rainfall-Runoff: Mô phỏng lượng mưa – dòng chảy theo thời gian
trong khu vực, theo sóng động lực, hồ chứa tuyến tính…

-

CS – Pollution Transport: Mô phỏng sự lan truyền và khuếch tán các chất ơ
nhiễm trong đó có cả bùn cát. Bao gồm cả lập mơ hình chất lượng nước khi
lập mơ hình lan truyền các chất ô nhiễm từ nước mặt xuống hệ thống thải.


13

-

CS – Biological Processes: Mơ phỏng chất hố học và tiến trình sinh học của
hệ thống bị ơ nhiễm hoặc hệ thống gộp

Ưu nhược điểm Mike Urban:
+ Ưu điểm:
-

Là phần mềm thương mại nên phần giao diện rất mạnh, hữu hiệu.

-

Phần kết nối với công cụ GIS rất mạnh kể cả tạo database (mặc dù phải cần
thêm các phần mềm GIS như Arc View, ArcGis,…)

-

Các tiện ích đầy đủ, dễ cho người sử dụng.

-

Thuận tiện cho việc giải quyết các bài tốn vừa và nhỏ

+ Nhược điểm:
-

Khơng biết được phần lõi (phần thuật tốn, tổ chức chương trình,…) nên
người sử dụng không thể cải biên, cập nhật mà phải qua nơi bán, khi đó phải

trả thêm tiền và mất thời gian chờ đợi.

-

Khi phải tính các bài tốn lớn thì địi hỏi nhiều thời gian tính trên máy,
khơng thuận tiện cho giai đoạn chạy và hiệu chỉnh vì phải chạy rất nhiều lần
mới hiệu chỉnh được một tham số nên tốn nhiều thời gian.

-

Độ chính xác của kết quả tính, đặc biệt cho các bài toán lan truyền chất nhiều
khi khơng đảm bảo do bản chất thuật tốn được sử dụng (khuếch tán số dẫn
đến nồng độ âm hoặc nồng độ sát biên lớn hơn biên khi khơng có nguồn
trong miền).

-

Các phiên bản sau hiện đại hơn các phiên bản trước nhưng chưa có sự hỗ trợ
cho các phiên bản cũ để đọc được kết quả của phiên bản cao hơn. Mỗi lần cài
đặt phiên bản mới kéo theo rất nhiều chương trình phải cài đặt lại.

-

Vì là phần mềm thương mại nên giá thành rất đắt.

1.2.4 Mơ hình StormNet
StormNeT là một mơ hình thủy lực, thủy văn động lực học hồn tồn đầy đủ để
có thể phân tích cho cả hệ thống thoát nước mưa đơn giản và hệthống thốt nước
mưa phức tạp. StormNeT có thể sử dụng cho:

14

-

Hệ thống tiêu thốt nước trên đường giao thơng (gồm các cửa thu ở bó vỉa và
rãnh thốt nước mưa).

-

Mạng lưới thoát nước mưa, nước thải và kết hợp với hồ điều hịa.

-

Thiết kế thốt nước phân vùng.

-

Tự động hóa q trình xác định kích thước và thiết kế hồ điều hịa và các
cơng trình xả nước.

-

Mơ phỏng cầu qua sông, cống qua đường, bao gồm cả sự chảy tràn trên mặt
đường.

-

Phân tích chất lượng nước.

-

Hệ thống thu gom nước thải sinh hoạt, trạm bơm nâng nước, CSO (hệ thống
thoát nước chung) và SSO(hệ thống thốt nước riêng).StormNeT là mơ hình
duy nhất kết hợp các mơ hình thủy lực, thủy văn phức tạp với nhau vànghiên
cứu chất lượng nước trong giao diện đồ họa thân thiện dễ sử dụng. Cung cấp
cho cả hệ SIvà hệ US.

Các tính năng của mơ hình
-

Tích hợp với Autocad Land Desktop và Civil 3D, hoặc hoạt động trực tiếp
trong Civil 3D.

-

Hướng dẫn bạn thông qua q trình định cỡ và thiết kếmột ao tù.

-

Phân tíchhệ thống thốt nước mưa đơn giản và phức tạp.

-

Mơ hình chất lượng nước

-

Kết hợp với dữ liệu GIS đểmô phỏng hệ thống thoát nước.

Ưu nhược điểm StormNet:
+ Ưu điểm:
-

StormNET gồm nhiều mơ hình quản lý nước mua tiên tiến, mạnh, và tồn
diện nhất và phần mềm làm mơ hình nước thải sẵn có để phân tích và thiết kế
những hệ ống thoát, những cống nước thu nước mưa và những đường cống
vệ sinh thành thị.


15
-

StormNET là mơ hình duy nhất mà kết hợp thủy học, thủy lực học và chất
lượng nước phức tạp trong một giao diện hoàn toàn đồ thị, dễ sử dụng.

-

Phần mềm có thể vừa làm quy hoạch cải tạo, quy hoạch mới, làm quy hoạch
tổng thể đến quy hoạch chi tiết. . .

+ Nhược điểm:
-

Giao diện không thân thiện với người dùng

-

Phần mềm thương mại, có tính phí.

-

Ít phổ biến nên số lượng người sử dụng không nhiều, người dùng gặp khó
khăn trong việc trao đổi, thảo luận kết quả tính tốn.


16
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO MƠ HÌNH TỐNTHỦY LỰC
THỐT NƯỚC ĐƠ THỊ
2.1 Cơ sở lý thuyết cho mơ hình tốn thủy lực
2.1.1 Mơ hình thủy lực Mike Urban
Mike Urban là một công cụ mạnh mẽ để thành lập mơ hình tính tốn thủy lực
dịng chảy cho ngành cấp thốt nước. Đây là một cơng cụ rất dễ sử dụng, mang tính
trực quan hơn nhiều nếu so với các cơng cụ miễn phí như Epanet, Us-Epa. Ngồi ra
nó có khả năng tích hợp hồn tồn với các hệ thống Gis, quản lý tài sản khác như
ArcGis, wams, wwms. Các mơ hình thủy lực trong Mike Urban được nghiên cứu
bởi đội ngũ các chuyên gia giàu kinh nghiệm của DHI.
Mike Urban gồm 3 module chính: Mike Urban Model Manager, Collection
System (CS) module, Water Distribution modules
Mike Urban Model Manager: Là mô hình quản lý trong mơi trường nước bao
gồm một chuỗi các gói dữ liệu quản lý, trong đó có hai mơ hình chương trìnhchung
làSwwm5 và Epanet, được phát triển bởi Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ.
Collection System (CS) module:Bao gồm mơ phỏng ống dịng chảy, mơ phỏng
lượng mưa chảy tràn, mô phỏng điều khiển thời gian, mô phỏng vận chuyển chất
gây ơ nhiễm, mơ phỏng q trình sinh học.
Water Distribution modules:Bbao gồm hiệu chỉnh tự động của các mơ hình
mạng phân phối nước, cơng cụ chữa cháy chảy để phân tích năng lực của hệ thống
phân phối nước, kiểm sốt lựa chọn mơ phỏng cho mơ phỏng thời gian dài, mơ
phỏng dịng chảy tạm thời của hệ thống có áp.
Cấu trúc tổng thể của mơ hình Mike Urban

Mike Urban là mơ hình thể hiện rõ nhất phân phối thủy động lực học trong
thốt nước đơ thị, là mơ hình chi tiết nhất và sẵn có cho các hệ thống thốt nước đơ
thị. Được chia ra hai thành phần chính: module bề mặt và mơ hình thủy động lực
học. Các module chuyển đổi bề mặt số liệu mưa thành dòng vào hệ thống đường
ống cho từng tiểu lưu vực trong hệ thống, trong khi mơ hình thủy động lực học tính


17
tốn dịng chảy trong hệ thống đường ống bằng cách sử dụng dòng chảy từ các
module trên bề mặt. Ở đây ta chỉ xét mơ hình thủy động lực học trong thốt nước đơ
thị, điển hình là mơ hình Mouse thủy động lực học (HD)
Các kỹ thuật tính tốn áp dụng trong Mouse thủy động lực (HD) sử dụnghệ
phương trình Saint-Venant(gồm 2 phương trình đạo hàm riêng là phương trình liên
tục và phương trình động lượng, mơ tả sự biến thiên lưu lượng Q và mức nước H
hoặc các thống số tương đương theo không gian và thời gian).Sử dụng một thuật
tốn qt đơi, mà giải quyết được hai bộ phương trình được thiết lập bằng cách sử
dụng một "chi nhánh " và một " tiếp điểm " ma trận [23,24]. Các "chi nhánh " ma
trận được áp dụng để tính tốn dịng chảy và mực nước trong ống tại các nút ở cuối
mỗi đường ống, trong khi các " nút " ma trận được sử dụng để tính tốn mực nước
trong nút ở các bước thời gian mới.
Phương trình (1) đưa ra giá trị xấp xỉ sai phân hữu hạn của các phương trình liên tục
tại một 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 : tổng của lưu lượng vào
q out : Tổng lưu lượng ra.
Δt: bước thời gian
H:mực nước.
ACR: diện tích mặt cắt ướt.
n và n + 1: các bước thời gian hiện tại và tiếp theo.
n - ½ và n + ½: các bước thời gian trung gian


18

Hình 2.1: Sơ đồ minh họa mực nước ở các bước thời gian tiếp theo
Từ hình trên ta thấy nước sau điều chỉnh sẽ có mức nước mới được tính toán
dựa trên một cảm biến được đặt ngay tại nút. Tại mức Hn + 1 ta có thêm giá trị
Qcorrection:Lưu lượng điều chỉnh

H n +1 − H n
A cr =∆Q + QCorrection (2)
∆t
2.1.2 Mơ hình thủy lực SWMM
Mơ hình tốn SWMM (Storm Water Management Model) là mơ hình
độngn lựchọcmơphỏngmưa–dịngchảychocáckhuvựcđơthịcảvềchấtvàlượng,vàtính
tốn q trình chảy tràn từ mỗi lưu vực bộ phận đến cửa nhận nước củanó.
Mơ hình vừa có thể mơ phỏng cho từng sự kiện (từng trận mưa đơn lẻ),
vừacóthể mơ phỏng liêntục.
a. Các thuật toán trong SWMM
Phần mền SWMM này gồm 2 modun chính đó là:
• ModunRunofftrongSWMMlàmoduntínhdịngchảytừmưa,cácchấtơnhiễm
trên các lưu vực.