Lựa chọn thời lượng mưa thiết kế để mô phỏng kiểm tra hệ thống thoát nước mưa đô thị - Nguyễn Tuấn Anh

Nội dung text: Lựa chọn thời lượng mưa thiết kế để mô phỏng kiểm tra hệ thống thoát nước mưa đô thị - Nguyễn Tuấn Anh

1. BÀI BÁO KHOA HỌC LỰA CHỌN THỜI LƯỢNG MƯA THIẾT KẾ ĐỂ MÔ PHỎNG KIỂM TRA HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MƯA ĐÔ THỊ Nguyễn Tuấn Anh1, Lê Văn Chín1 Tóm tắt: Bài báo này giới thiệu kết quả nghiên cứu lựa chọn thời lượng mưa thiết kế để mô phỏng kiểm tra hệ thống thoát nước mưa đô thị. Nghiên cứu xem xét bẩy mô hình mưa thiết kế dạng khối xen kẽ của Chow với thời lượng mưa là 0,5h, 1h, 2h, 3h, 6h, 12h và 24 giờ được xác định từ tài liệu mưa tự ghi tại trạm Láng, Hà Nội. Nghiên cứu sử dụng phương pháp so sánh lưu lượng xác định từ mô phỏng mưa-dòng chảy trận mưa thiết kế và mô phỏng mưa-dòng chảy toàn liệt mưa quá khứ trên các lưu vực con khác nhau của một lưu vực thoát nước ở Hà Nội. Kết quả nghiên cứu cho thấy, thời lượng mưa thiết kế phù hợp phụ thuộc vào diện tích của lưu vực thoát nước, lưu vực càng lớn thì thời lượng mưa thiết kế phù hợp càng dài. Sơ bộ có thể chọn thời lượng mưa thiết kế là 0,5h đối với lưu vực có diện tích nhỏ hơn 3ha, chọn thời lượng là 6h đối với lưu vực có diện tích khoảng từ 20 đến 50 ha; chọn thời lượng 24h đối với các lưu vực có diện tích khoảng từ 200ha đến 300ha. Từ khóa: Thời lượng mưa thiết kế, lưu lượng thiết kế, thoát nước mưa đô thị. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ1 thống tiêu nước mưa là các thông số mưa tạo ra Theo Tiêu chuẩn thiết kế hệ thống thoát nước lưu lượng đỉnh có giá trị gần nhất với giá trị đô thị hiện hành (TCVN 7957, 2008), khi tính lưu lượng đỉnh được xác định từ liệt quan trắc toán thiết kế các hệ thống thoát nước mưa đô dòng chảy hoặc từ mô phỏng toàn liệt quá trình thị, người thiết kế cần thực hiện 2 bước, bước mưa - dòng chảy của các trận mưa quá khứ thứ nhất: tính lưu lượng thiết kế theo công thức tương ứng với tần suất thiết kế. Trong thực tế cường độ giới hạn; bước thứ hai: Sử dụng mô thường không có số liệu quan trắc dòng chảy hình toán để tính toán mưa – dòng chảy và diễn đô thị trong nhiều năm vì vậy có thể sử dụng toán thủy lực trong hệ thống thoát nước nhằm phương pháp mô phỏng toàn liệt bằng mô hình kiểm tra lại kết quả sơ bộ ở bước thứ nhất. Khi toán để xác định các thông số hợp lý của trận mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy trong hệ mưa thiết kế. thống thoát nước cần sử dụng một trận mưa Để cung cấp thêm cơ sở khoa học lựa chọn thiết kế làm biên vào hệ thống. Tiêu chuẩn thiết thời lượng mưa thiết kế, bài báo này giới thiệu kế này quy định thời lượng của trận mưa thiết kết quả nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của thời kế có thể chọn từ 3h đến 6h. Tuy nhiên trong lượng trận mưa thiết kế đến lưu lượng của dòng thực tế, nhiều tác giả đã chọn thời lượng mưa chảy trong một hệ thống thoát nước mưa đô thị thiết kế là 12 giờ, 24 giờ hoặc dài hơn nữa ở Hà Nội, từ đó kiến nghị lựa chọn thời lượng (Nguyễn Song Dũng, 2005). mưa thiết kế hợp lý khi tính toán thiết kế hệ Theo các tác giả Cao (1993), Despotovic thống thoát nước mưa đô thị. (1996), Alfieri (2007), các thông số cơ bản của 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU trận mưa thiết kế (tổng lượng, thời lượng, phân Để xác định thời lượng hợp lý nhất của trận bố mưa theo thời gian) hợp lý nhất dùng để xác mưa thiết kế, trong nghiên cứu này các tác giả định quy mô, kích thước của các công trình dẫn sử dụng phương pháp so sánh kết quả tính lưu và tháo nước (kênh, cống, trạm bơm, ) trong hệ lượng từ phương pháp mô phỏng mưa – dòng chảy trận mưa thiết kế và mô phỏng toàn liệt các 1 trận mưa trong quá khứ (Cao, 1993), (Despotovic, Trường Đại học Thủy lợi. 114 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016)
2. 1996), (Alfieri, 2007) và (Nguyễn Tuấn Anh, (4) Mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy cho 2015). Phương pháp này bao gồm các bước sau các trận mưa thiết kế đã được xác định ứng với đây: tần suất thiết kế P, từ đó xác định được các lưu (1) Xây dựng các mô hình mưa thiết kế với lượng đỉnh tại các vị trí tương ứng với các trận thời lượng mưa khác nhau để lựa chọn. mưa thiết kế khác nhau gọi là QTK(P). Ở đây tài liệu mưa tự ghi tại trạm Láng, Hà (5) Mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy cho Nội và mô hình mưa phân bố dạng khối xen kẽ các trận mưa trong các năm đã đo đạc mưa. Từ (mô hình mưa thiết kế của Chow) được chọn để kết quả mô phỏng xác định được lưu lượng đỉnh nghiên cứu. Theo các nghiên cứu của các tác giả (Q ) của từng trận mưa tại các vị trí xác định nêu trên, mô hình mưa khối xen kẽ cho kết quả max tính toán lưu lượng thiên về an toàn, đã được trước. nhiều nước trên thế giới ứng dụng trong tính (6) Từ lưu lượng đỉnh của các trận mưa trong toán thoát nước đô thị. Ở Việt Nam, đã ứng năm, xác định được lưu lượng đỉnh lớn nhất dụng phương pháp này cho dự án cải tạo hệ (Qmaxmax) trong năm tại các vị trí đó. Tính tần thống thoát nước sông Tô Lịch, Hà Nội. suất với liệt Qmaxmax của các năm mô phỏng ứng (2) Chọn một lưu vực thoát nước điển hình với tần suất thiết kế P xác định được lưu lượng gần trạm đo mưa để nghiên cứu tính toán. đỉnh tại các vị trí ứng với tần suất thiết kế gọi là Lưu vực thoát nước mưa Quận Thanh Xuân, QTL(P). TP Hà Nội (phạm vi lưu vực sông Tô Lịch – (7) So sánh kết quả lưu lượng đỉnh tại cùng xem hình 1) cách trạm mưa Láng 1,5 km được một vị trí đã xác định ở trên từ mô phỏng mưa lựa chọn là lưu vực nghiên cứu. Toàn bộ lưu toàn liệt và mô phỏng mưa thiết kế qua chỉ số vực có diện tích tự nhiên 366 ha và không có hồ sai số tương đối Ɛ : điều hòa. Cao trình mặt đất phổ biến ở cao độ Q Q Q +5,0 ÷ +6,0 m.  TK(P) TL(P) .100% (1) Q QTL(P) Thời lượng mưa thiết kế nào cho giá trị tuyệt đối sai số |ƐQ| nhỏ nhất thì đó là thời lượng mưa thiết kế thích hợp nhất cho vị trí đó. Nghiên cứu trên vài vị trí trong hệ thống có thể rút ra được kết luận về thời lượng mưa thiết kế thích hợp nhất. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN - Xây dựng các mô hình mưa thiết kế với thời lượng khác nhau Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp khối xen kẽ của Chow (1988) để xây dựng 07 mô Hình 1. Vị trí hệ thống thoát nước hình mưa thiết kế ứng với thời lượng mưa 0,5h, Quận Thanh Xuân – Lưu vực sông Tô Lịch 1h, 2h, 3h, 6h, 12h và 24h, tần suất P=10% (3) Lựa chọn mô hình để mô phỏng quá trình (xem các hình 1÷7). Các mô hình mưa thiết kế mưa-dòng chảy trên lưu vực. khối xen kẽ với bước thời gian là 10 phút được Mô hình toán thủy văn, thủy lực SWMM xây dựng dựa trên đường quan hệ lượng mưa - (Storm Water Management Model) của Cơ quan thời lượng mưa - tần suất (DDF) tại trạm Láng, bảo vệ môi trường Hoa Kỳ được lựa chọn để mô Hà Nội được giới thiệu trong bài báo của tác giả phỏng quá trình mưa-dòng chảy cho lưu vực trên. (Nguyễn Tuấn Anh, 2009). KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016) 115
3. Hình 2. Mô hình mưa thiết kế với gian mưa 0,5 giờ. Hình 3. Mô hình mưa thiết kế với gian mưa 1 giờ. Hình 4. Mô hình mưa thiết kế với gian mưa 2 giờ. Hình 5. Mô hình mưa thiết kế với gian mưa 3 giờ. Hình 6. Mô hình mưa thiết kế với gian mưa 6 giờ. Hình 7. Mô hình mưa thiết kế với gian mưa 12 giờ 116 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016)
4. Hình 8. Mô hình mưa thiết kế với gian mưa 24 giờ - Lập sơ đồ tính toán trong mô hình SWMM Hình 9. Sơ đồ hệ thống thoát nước nghiên cứu Lưu vực thoát nước được mô phỏng trong trong SWMM SWMM với 101 nút, 98 đoạn cống và 41 tiểu Tại lưu vực thoát nước này không có trạm lưu vực với tổng diện tích 366 ha. Nước mưa quan trắc lưu lượng dòng chảy, do vậy để xác thoát ra tại các cửa xả CX1, CX2, CX3, CX4, định các tham số mô hình, chúng tôi sử dụng thông tin từ khảo sát thực địa, các bảng tra CX5 trên sông Tô Lịch và CX6 sang lưu vực thông số trong tài liệu (Dương Thanh Lượng, bên cạnh (xem Hình 9). 2010) và tham khảo kết quả nghiên cứu trên lưu Bảng 1. Diện tích phụ trách của các cửa xả vực thoát nước sông Tô Lịch (Nguyễn Song Dũng, 2005). Diện tích - Mô phỏng các trận mưa thiết kế tại các vị Cửa xả Ghi chú phụ trách (ha) trí tính toán Cửa xả 1 34,1 Đổ ra sông Tô Lịch Các cửa xả được lựa chọn là các vị trí tính toán. Sử dụng phần mềm SWMM mô phỏng hệ Cửa xả 2 33,4 Đổ ra sông Tô Lịch thống thoát nước với biên mưa là các trận mưa Cửa xả 3 244,0 Đổ ra sông Tô Lịch thiết kế, biên dưới tại các cửa xả (CX) được giả Cửa xả 4 2,89 Đổ ra sông Tô Lịch thiết chảy tự do; chọn bước thời gian mô phỏng Cửa xả 5 30,9 Đổ ra sông Tô Lịch là 2,0 giây, bước thời gian biểu thị kết quả là 10 phút, thời gian mô phỏng là 48 giờ; chọn mô Đổ sang lưu vực hình Horton để tính thấm trên bề mặt lưu vực, Cửa xả 6 20,6 bên cạnh, rồi chảy chọn phương pháp mô phỏng là động lực học. ra sông Tô Lịch Kết quả thể hiện tại bảng sau đây: Bảng 2. Lưu lượng thiết kế tương ứng các mô hình mưa thiết kế Diện tích Q (m3/s), P = 10% Vị trí TK(P) phụ trách MH 0,5h MH 1h MH 2h MH 3h MH 6h MH 12h MH 24h tính toán (ha) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) Cửa xả 1 34,1 7,07 7,95 8,21 9,935 9,99 10,09 10,21 Cửa xả 2 33,4 7,31 8,22 8,31 8,422 8,427 8,435 8,44 Cửa xả 3 244,0 28,78 32,19 34,02 37,32 37,66 37,83 38,04 Cửa xả 4 2,89 1,243 1,258 1,26 1,280 1,285 1,293 1,301 Cửa xả 5 30,9 4,82 5,36 5,72 6,676 6,665 6,764 6,899 Cửa xả 6 20,6 4,71 4,91 4,97 5,254 5,251 5,266 5,279 Từ bảng trên thấy, lưu lượng thiết kế tăng lượng càng tăng. dần từ mô hình mưa 0,5h đến mô hình mưa 24h, - Mô phỏng các trận mưa trong quá khứ nghĩa là thời gian mưa thiết kế càng dài thì lưu Sử dụng tài liệu mưa tự ghi bước thời gian 10 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016) 117
5. phút tại trạm khí tượng Láng trong các tháng Từ các chuỗi lưu lượng đỉnh thu được sau mùa mưa từ năm 1985 đến năm 2004 (đây cũng khi chạy mô hình SWMM với các trận mưa là tài liệu mưa dùng để xây dựng các đường trong quá khứ, mỗi năm chọn một giá trị lưu DDF ở trên) làm biên mưa trong mô hình lượng đỉnh lớn nhất (Qmaxmax), sau đó tính toán SWMM để mô phỏng quá trình mưa – dòng tần suất liệt số liệu này xác định được lưu chảy của các trận mưa trong các năm quá khứ. lượng thiết kế tương ứng tần suất P=10% Hình 10 dưới đây biểu thị đường quá trình (bảng 3). cường độ mưa theo thời gian của trận mưa rào Bảng 3. Lưu lượng thiết kế tần suất 10% ngày 27/7/1985. xác định từ mô phỏng các trận mưa quá khứ Vị trí Q (m3/s) TL(P) Cửa xả 1 10,01 Cửa xả 2 8,43 Cửa xả 3 41,6 Cửa xả 4 1,15 Cửa xả 5 6,65 Cửa xả 6 5,19 - So sánh kết quả tính lưu lượng thiết kế từ Hình 10. Quá trình mưa theo thời gian mô phỏng mưa toàn liệt và mô phỏng mưa thiết của trận mưa ngày 27/7/1985 kế qua chỉ số sai số ƐQ Bảng 4. Kết quả tính sai số |ƐQ| (%) Diện tích Giá trị tuyệt đối của sai số |εQ| (%) Vị trí lưu vực MH 0,5h MH 1h MH 2h MH 3h MH 6h MH 12h MH 24h (ha) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) Cửa xả 1 34,1 29,37 20,58 17,98 0,60 0,10 1,05 2,03 Cửa xả 2 33,4 13,29 2,49 1,42 0,12 0,02 0,13 0,17 Cửa xả 3 244,0 30,82 22,62 18,22 10,19 9,37 8,96 8,46 Cửa xả 4 2,89 8,09 9,39 9,57 11,3 11,73 12,43 13,13 Cửa xả 5 30,9 27,52 19,40 13,98 0,36 0,20 1,69 3,72 Cửa xả 6 20,6 9,25 5,39 4,24 1,22 1,16 1,45 1,70 Từ kết quả tính toán trên cho thấy: Đối với lưu vực tương ứng với cửa xả 4, sai Đối với các lưu vực tương ứng với các cửa số tăng dần từ mô hình mưa thiết kế 0,5h đến xả 1, 2, 5, 6 có diện tích từ 20,6 đến 34,1 ha: sai mô hình mưa 24h. Mô hình mưa phù hợp nhất là số |ƐQ| giảm dần từ mô hình mưa 0,5h đến mô mô hình mưa 0,5h. Đây là lưu vực có diện tích hình mưa 6h và tăng dần từ mô hình mưa 6h đến nhỏ nhất trong 06 lưu vực xem xét và tương ứng mô hình mưa 24h và mô hình mưa phù hợp có thời lượng mưa hợp lý ngắn nhất. nhất, tạo ra sai số nhỏ nhất là mô hình mưa có Kết quả cũng cho thấy thời lượng mưa thiết thời lượng mưa là 6h; kế hợp lý có xu thế tăng theo diện tích lưu vực Đối với lưu vực tương ứng với cửa xả 3, sai thoát nước. Nếu xem xét thêm các mô hình mưa số giảm dần từ mô hình mưa thiết kế 0,5h đến thiết kế có thời lượng trong khoảng từ 3h đến 6h mô hình mưa 24h. Mô hình mưa phù hợp nhất là và từ 6h đến 12h thì xu thế này có thể rõ rệt hơn mô hình mưa 24h. (xem hình 11). 118 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016)
6. báo này đã nghiên cứu bẩy thời lượng mưa thiết kế là 0,5h, 1h, 2h, 3h, 6h, 12h và 24h với cùng mô hình mưa khối xen kẽ sử dụng tài liệu mưa trạm Láng, Hà Nội. Kết quả cho thấy, thời lượng mưa thiết kế phù hợp phụ thuộc vào diện tích của lưu vực thoát nước, lưu vực càng lớn thì thời lượng mưa thiết kế phù hợp càng dài. Sơ bộ có thể chọn thời lượng mưa thiết kế là 0,5h đối với lưu vực có diện tích nhỏ hơn 3ha, chọn thời lượng là 6h đối với lưu vực có diện tích Hình 11. Quan hệ giữa thời lượng mưa thiết kế khoảng từ 20 đến 50 ha; chọn thời lượng 24h hợp lý với diện tích lưu vực thoát nước đối với các lưu vực có diện tích khoảng từ 200ha đến 300ha. 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Do hạn chế về thời gian, bài báo mới chỉ Mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy trong nghiên cứu bẩy thời lượng mưa thiết kế khác hệ thống thoát nước mưa đô thị tương ứng với nhau với mô hình mưa khối xen kẽ cho một trận mưa thiết kế để kiểm tra quy mô, kích trạm mưa và một lưu vực thoát nước đô thị thước, năng lực của hệ thống thoát nước là việc không có hồ điều hòa ở Hà Nội. Để có thể đề không thể thiếu trong công tác thiết kế các hệ xuất một tiêu chuẩn về thời lượng mưa thiết kế thống thoát nước mưa đô thị. Thời lượng của dùng để mô phỏng các hệ thống thoát nước mưa trận mưa thiết kế có ảnh hưởng tới kết quả tính đô thị ở Việt Nam cần thiết phải có thêm các toán hệ thống, vì vậy, việc nghiên cứu lựa chọn nghiên cứu cho nhiều thời lượng mưa, nhiều mô thời lượng mưa thiết kế phù hợp để nâng cao độ hình mưa, nhiều lưu vực với đặc trưng khác chính xác của kết quả tính toán là cần thiết. Bài nhau và nhiều trạm mưa khác nhau. V. TÀI LIỆU THAM KHẢO Alfieri, L., Laio F., Claps P. (2007). A simulation experiment for optimal design hyetograph selection, Hydrological Processes. DOI: 10.1002/hyp.6646. Nguyễn Tuấn Anh (2009). Xây dựng mối quan hệ lượng mưa – thời gian mưa – tần suất (DDF) để tính toán mưa tiêu thiết kế cho vùng đồng bằng Bắc Bộ, Tạp chí KHKT Thủy lợi và Môi trường, số 27 (11/2009). Nguyen T. A., G. Grossi and R. Ranzi (2015). Design storm for Mixed urban and agricultural drainage systems in the Northern Delta in Vietnam, Journal of Irrigation and Drainage Engineering, ASCE, DOI: 10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0000962. Cao, C., Piga E., Saba A. (1993). Design storm calibration through continuous simulation. Proc. 6th Int. Conf. Urban storm Drainage, Niagara Falls, Vol. I, pp. 318-323. Chow, V.T., Maidment D.R. and L.W. Mays. (1988). Applied hydrology, Mc Graw-Hill. Chapter 14. Despotovic, J., Petrovic J., Vukmirovic V. (1996). Some considerations of urban drainage design pratice using experimental data, Atmospheric Research 42, 279-292. Nguyễn Song Dũng (2005). Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp quản lý điều hành hệ thống thoát nước sông Tô Lịch, TP Hà Nội, Luận án tiến sĩ, Đại học Thủy Lợi. Dương Thanh Lượng (2010). Giáo trình mô phỏng mạng lưới thoát nước bằng SWMM, Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội. Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 7957: 2008, Thoát nước – Mạng lưới và công trình bên ngoài – Tiêu chuẩn thiết kế. KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016) 119
7. Abstract: SELECTION OF DURATION OF DESIGN STORM TO SIMULATE URBAN STORM WATER DRAINAGE SYSTEM This paper presents a procedure to select duration of design storm to simulate urban storm water drainage systems. The study considered seven durations (0,5h, 1h, 2h, 3h, 6h, 12h and 24h) of the alternating block design storms derived from DDFs of Lang raingauge station, Hanoi, Vietnam. Using the combination of the design storm method and continuous simulation approach for a typical urban drainage basin in Hanoi, the study defined suitable duration of design hyetograph for different catchments such as duration of 0,5h for areas less than 3ha, 6h for areas between 20ha and 50ha, 24h for areas from 200ha up to 300ha. Keywords: duration of design storm, design flow rate, urban drainage. BBT nhận bài: 20/12/2015 Phản biện xong: 25/3/2016 120 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016)