Đề tài Ứng dụng phần mềm SWMM tính toán thoát nước mưa - Nước thải cho khu tái định cư xã Vĩnh Lộc B huyện Bình Chánh - TP Hồ Chí Minh

n mềm để tính toán cho mạng thoát nước đô thị. E Tính toán tiêu thoát nước cho 1 lưu vực đô thị (Trong đề tài này là khu dân cư tái định cư xã Vĩnh Lộc B – huyện Bình Chánh – Tp Hồ Chí Minh). www.tainguyennuoc.vn 7 PHẦN II : LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ MẠNG LƯỚI THOÁT NƯỚC I. Lý Thuyết Cơ Bản Về Mạng Lưới Thoát Nước 1. Nhiệm vụ của hệ thống thoát nước và các loại nước thải : Do hoạt động hàng ngày của con người mà ở các đô thị và điểm dân cư tạo ra nhiều nguồn ô nhiễm có đặc tính khác nhau. Những nguồn ô nhiễm đó bao gồm các chất thải sinh lý của người, động vật nuôi và chất thải của quá trình sản xuất theo nước thải xả vào môi truờng bên ngoài. Nước cấp sau khi sử dụng vào mục đích sinh hoạt, sản xuất, nước mưa chảy trên các mái nhà, mặt đường, sân vườn…trở thành nước thải chứa nhiều hợp chất vô cơ, hữu cơ dễ bị phân hủy thối rữa và chứa nhiều vi trùng gây và truyền bệnh nguy hiểm. Nếu những loại nuớc thải này xả 1 cách bừa bải sẽ gây ô nhiễm môi trường nước, đất và không khí, nẩy sinh và lan truyền các thứ bệnh hiểm nghèo ảnh hưởng tới sức khỏe của con người. Mặt khác, nếu không thu gom vận chuyển đi thì có thể gây nên tình trạng ngập lụt trong các điểm dân cư xí nghiệp công nghiệp, làm hạn chế đất đai xây dựng, ảnh hưởng đến nền móng công trình gây trở ngại giao thông và tác hại tới 1 số nghành kinh tế khác… Vì vậy nhiệm vụ của hệ thống thoát nước là thu gom vận chuyển nhanh chóng mọi loại nuớc thải ra khỏi khu vực dân cư, xí nghiệp công nghiệp, đồng thời xử lý và khử trùng đạt yêu cầu vệ sinh trước khi xả vào nguồn tiếp nhận. Nước thải có nhiều loại khác nhau tùy theo tính chất và nguồn gốc của nó người ta phân biệt 3 loại chính sau đây : o Nước thải sinh hoạt : Thải ra từ các chậu rửa, bồn tắm , nhà xí, tiểu ..chứa nhiều chất hữu cơ và vi trùng. o Nước xám : Nước sinh hoạt không chứa phân, nước tiểu thải ra từ các hộ gia đình bao gồm : nước đã qua bồn tắm, vòi hoa sen, chậu giặt trong nhà tắm, máy giặt và bồn giặt… o Nước thải sản xuất : Thải ra sau qua trình sản xuất. Thành phần và tính chất phụ thuộc vào lĩnh vực công nghiệp, nguyên liệu tiêu thụ, công nghệ sản xuất…mà khác nhau rất nhiều . www.tainguyennuoc.vn 8 2. Nguyên tắc vạch tuyến mạng lưới thoát nước: Mạng lưới thoát nước có thể gồm một hay một vài cống góp chính phục vụ cho một vài lưu vực thoát nước. Lưu vực thoát nước là một phần diện tích của đô thị hay của xí nghiệp công nghiệp mà nước thải cho chảy tập trung về một cống nước chính. Phần ranh giới lưu vực là các đường phân thủy. Các cống góp chính thường đặt theo đường tụ thủy. Hệ thống thoát nước thường thiết kế theo nguyên tắc tự chảy, khi cống đặt quá sâu thì dùng máy bơm nâng lên cao sau đó lại tiếp tục tự chảy. Vạch tuyến mạng lưới thoát nước tiến hành theo thứ tự sau: ¾ Phân chia lưu vực thoát nước. ¾ Xác định vị trí trạm xử lý, vị trí xả nước vào nguồn. ¾ Vạch tuyến cống góp chính cống góp lưu vực, cống đường phố tuân theo các nguyên tắc sau : o Phải hết sức lợi dụng địa hình đặt cống thoát nước thoát nước theo chiều nước tự chảy từ phía đất cao đến phía đất thấp của lưu vực đảm bảo lượng nước thải lớn nhất tự chảy theo cống, tránh đào đắp nhiều tránh đặt nhiều trạm bơm lãng phí. o Đặt cống đường phố thật hợp lý để tổng chiều dài là ngắn nhất tránh trường hợp nước chảy vòng vo, tránh đặt cống sâu. Phụ thuộc vào địa hình diện tích của các tiểu khu nhà ở, quy hoạch kiến trúc biện pháp thi công xây dựng và sự phân khu quản lý hành chính của đô thị mà có thể vạch tuyến mạng lưới đường phố theo các sơ đồ sau : o Sơ đồ hộp : Cống được đặt dọc theo các đường phố bao quanh các tiểu khu. Sơ đồ này áp dụng khi địa hình bằng phẳng, tiểu khu có diện tích lớn và công trình không xây dựng sâu vào bên trong (trong đề tài này dùng sơ đồ này). o Sơ đồ ranh giới thấp : Cống được đặt theo đường phố ở phía ranh giới thấp của tiểu khu. Sơ đồ này áp dụng khi địa hình có độ dốc tương đối lớn . Trong thực tế, khi so sánh các phương án vạch tuyến mạng lưới thoát nước đường phố xuyên qua tiểu khu. Trong trường hợp này, mạng lưới thoát nước trong tiểu khu thường kéo dài và các ống nhánh nối đi từ các tiểu khu này qua các tiểu khu khác. Tổng chiều dài mạng lưới ngắn hơn các sơ đồ vạch tuyến trên. Tuy nhiên việc quản lý có thể gặp nhiều khó khăn, khó phân cấp và kém hiệu quả. www.tainguyennuoc.vn 9 Các cống chính vạch theo hướng về trạm xử lý và cửa xả nước vào nguồn tiếp nhận. Vị trí trạm xử lý đặt ở phía thấp của đô thị, xí nghiệp, công nghiệp, nhưng không bị ngập lụt, cuối hướng gió chủ đạo mùa hè, cuối nguồn nước, đảm bảo khoảng cách tối thiểu 500m đối với khu dân cư, xí nghiệp công nghiệp chế biến thực phẩm. Giảm tới mức tối thiểu cống chui qua sông hồ, cầu phà, đê đập, đường sắt, đường ô tô và các công trình ngầm khác . Việc bố trí cống thoát nước phải bố trí kết hợp với công trình ngầm khác, phải đảm bảo cho việc xây dựng khai thác sử dụng được thuận lợi … II. Tính toán về mạng lưới thoát nước Tính toán lưu lượng nước thải Từ hai công thức Q = ω v và v = C Ri , khi tính toán chỉ mới biết được lưu lượng, còn 3 giá trị chưa biết là v,ω ,I, do đó không thể giải được mà phải tính toán lựa chọn hợp lý dần. Người ta đã lập sẵn các bảng tính toán, các biểu đồ và toán đồ để tiện sử dụng trong khi thiết kế. Trong các bảng số, ứng với mỗi đường kính d (hoặc đường kính kênh mương ) và độ dốc i, dẫn ra các thông số về lưu lượng, tốc độ với độ đầy từ 0,05 đến 1d. Dựa theo lưu lượng Q và độ dốc địa hình, với độ đầy lựa chọn h/d, ta lựa chọn đường kính cống, sau đó chọn i và xác định V. Xác định lưu lượng tính toán cho từng đoạn cống : Căn cứ vào giai đoạn xây dựng quy hoạch hệ thống mạng lưới thoát nước được chia ra các đoạn có độ dài khác nhau. Đoạn cống tính toán là khoảng cách giữa hai điểm (giếng thăm) mà lưu lượng dòng chảy quy ước là không đổi. Để xác định lưu lượng tính toán cần nắm các khái niệm sau : ¾ Lưu lượng dọc đường: Lượng nước từ các khu nhà thuộc lưu vực nằm dọc 2 bên cống đổ vào đoạn cống. ¾ Lưu lượng chuyển qua: Lượng nước từ đoạn cống phía trên đổ vào điểm đầu của đoạn cống. ¾ Lưu lượng cạnh sườn: Lượng nước từ cống nhánh của cạnh sườn đổ vào điểm đầu của đoạn cống. www.tainguyennuoc.vn 10 ¾ Lưu lượng tập trung: Lượng nước chuyển qua đoạn cống từ các đơn vị thải nước lớn từ các đơn vị nằm riêng biệt ở phía trên đoạn cống (xí nghiệp công nghiệp, trường học, nhà tắm công cộng). Lưu lượng dọc đường là 1 đại lượng biến đổi tăng dần từ số 0 ở đầu đoạn cống đến giá trị lớn nhất ở cuối đoạn cống. Lưu lượng chuyển qua, lưu lượng cạnh sườn, lưu lượng tập trung đổ vào đoạn cống có giá trị không đổi suốt chiều dài. Chú ý: Tại những chỗ thay đổi hướng nước chảy thay đổi đường kính tại những chỗ giao lưu của các dòng chảy phải xây dựng giếng thăm và cống được thay bằng máng hở lượn đều. Tại những chỗ ngoặt thường gây sức cản cục bộ. Quy định góc chuyển tiếpα của máng hở không lớn hơn 900. Góc α =900 đối với cống có d<400 mm,còn đối với cống có d>400mm, góc chuyển tiếp đó α <600. Lưu lượng nước thải tính toán trong đề tài này gồm có : Nước thải sinh hoạt từ các khu dân cư hộ gia đình, từ các khu công nghiệp các công trình công cộng(trường học,bệnh viện)và nước mưa. Trong đó nước thải sinh hoạt từ các khu dân cư và nước thải công cộng được tính như sau : Công thức tính toán : Q 1000 . tcng tb qN= (2.1) Trong đó : ngđ tbQ : Lưu lượng trung bình ngày đêm ( m 3/ngđ). N : Dân số tính toán ( người). q : Tiêu chuẩn thải nước ( l/người.ngđ). tc Trong các khu công nghiệp người ta chia ra làm các phân xưởng nóng và phân xưởng lạnh, dựa vào số công nhân, số ca làm việc, tiêu chuẩn dùng nước của từng công nhân trong các phân xưởng nóng và lạnh ta tính được lưu lượng nước thải ngày đêm của từng xí nghiệp công nghiệp. www.tainguyennuoc.vn 11 PHẦN III : GIỚI THIỆU PHẦN MỀM I . Giới thiệu phần mềm SWMM : Mô hình toán SWMM (Storm Water Management Model ) là mô hình động lực học mô phỏng mưa – dòng chảy cho các khu vực đô thị cả về chất và lượng, và tính toán quá trình chảy tràn từ mỗi lưu vực bộ phận đến cửa nhận nước của nó. Mô hình vừa có thể mô phỏng cho từng sự kiện ( từng trận mưa đơn lẻ ), vừa có thể mô phỏng liên tục. Mô hình này do Metcalf và Eddy xây dựng năm 1971, là sản phẩm của 1 hợp đồng kinh tế giữa trường ĐH Florida và tổ chức bảo vệ môi trường Hoa kỳ EPA (The U.S.Environment Protection Agency ). Khi mới ra đời mô hình chạy trên môi trường DOS. Mô hình liên tục được cập nhập và phiên bản mới nhất là SWMM 5.0 chạy trên môi trường WINDOW. Phiên bản mới này được viết lại bởi một bộ phận trong phòng thí nghiệm nghiên cứu Quản lý rủi ro Quốc gia của EPA. Các phiên bản đã qua của SWMM : ¾ 1969 – 1971 : Version 1 ¾ 1975 : Version 2 ¾ 1981 : Version 3 ¾ 1988 : Version 4 ¾ 2004 : Version 5 Phần mềm này được cung cấp miễn phí có thể Download tại : II . Khả năng của phần mềm SWMM : Mô hình quản lý nước mưa SWMM là 1 mô hình toán học toàn diện, dùng để mô phỏng khối lượng và tính chất dòng chảy đô thị do mưa và hệ thống cống thoát nước thải chung. Mọi vấn đề về thuỷ văn đô thị và chu kỳ chất lượng đều được mô phỏng, bao gồm dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm, vận chuyển qua mạng lưới hệ thống tiêu thoát nước, hồ chứa và khu xử lý. www.tainguyennuoc.vn 12 Mô 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. Doøng chaûy (Khoái Runoff) Nhaän nöôùc (KhoáiReceiving) Truyeàn taûi chaûy maët (Khoái transport) Chaûy trong heä thoáng (Khoái Extran) Tröõ / Xöû lyù (Khoái torage/Treatment) Hình 1: Các khối xử lý chính trong mô hình SWMM Trong sơ đồ trên bao gồm các khối sau: ¾ Khối “dòng chảy” (Runoff block) tính toán dòng chảy mặt và ngầm dựa trên biểu đồ quá trình mưa (và/hoặc tuyết tan) hàng năm, điều kiện ban đầu về sử dụng đất và địa hình. ¾ Khối “truyền tải” (Transport block) tính toán truyền tải vật chất trong hệ thống nước thải. www.tainguyennuoc.vn 13 ¾ Khối “chảy trong hệ thống” (Extran block) diễn toán thủy lực dòng chảy phức tạp trong cống, kênh… ¾ Khối “Trữ/xử lý“ (Strorage/Treatment block) biểu thị các công trình tích nước như ao hồ…và các công trình xử lý nước thải, đồng thời mô 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. ¾ Khối “nhận nước” (Receiving block) Môi trường tiếp nhận. Mục đích ứng dụng mô hình toán SWMM cho hệ thống thoát nước được triển khai nhằm : o Xác định các khu vực cần xây mới hoặc mở rộng cống thoát nước mưa để giảm tình trạng ngập lụt đường phố hoặc cung cấp dịch vụ thoát nước thải cho những khu vực mới phát triển. o 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. o Cung cấp công cụ quy hoạch để đánh giá việc thực hiện các cống chắn dòng dọc kênh. Những ứng dụng điển hình của SWMM : o Quy hoạch hệ thống thoát nước mưa. o Quy hoạch ngăn tràn cống chung. o Quy hoạch hệ thống thoát nước lũ ở kênh hở. o Quy hoạch cống ngăn lũ. o Quy hoạch hồ chứa phòng lũ. SWMM xem xét mọi quá trình thủy văn tạo dòng chảy trên lưu vực đô thị như : o Quá trình mưa. o Bốc hơi bề mặt nước. o Tuyết tan. o Tổn thất tích tụ trên tán lá cây và tổn thất điền trũng. o Tổn thất thấm. o Thẩm thấu của nước vào các tầng nước ngầm. o Dòng chảy sát mặt. www.tainguyennuoc.vn 14 o Dòng chảy tràn trên bề mặt. Sự biến đổi về mặt không gian trong mọi quá trình được khắc phục bởi việc chia nhỏ khu vực nghiên cứu thành nhiều lưu vực con đồng nhất. SWMM cũng có tất cả những tính năng mền dẻo của một mô hình thủy lực dùng để diễn toán dòng chảy, nhập lưu trong cống, kênh, hồ, trạm xử lý nước, các công trình phân nước của hệ thống tiêu thoát nước như : o Tính toán được các hệ thống lớn phức tạp. o Sử dụng nhiều loại cống có hình dạng và kích thước khác nhau và các kênh hở. o Mô hình hóa được các bộ phận phức tạp trong hệ thống như: hồ chứa, các trạm xử lý nước, trạm bơm tiêu … o Có thể xét đến nhập lưu hay dòng chảy từ bên ngoài vào cống như dòng chảy mặt, sát mặt, ngầm, nước thải sinh hoạt và nhiều dạng khác của dòng chảy. o Có thể sử dụng phương pháp diễn toán dòng chảy sóng động học hay sóng động lực học. o Mô phỏng được nhiều loại chế độ dòng chảy như nước vật, chảy ngược, nước nhảy do cống đóng mở đột ngột … SWMM cũng có thể ước tính chất ô nhiễm liên quan đến dòng chảy trên lưu vực đô thị : o Chất ô nhiễm từ nước thải sinh hoạt, từ các khu vực khác nhau. o Ô nhiễm do dòng chảy cuốn đi khi mưa. o Nguồn ô nhiễm khác chảy từ bên ngoài vào hệ thống tiêu thoát nước. o Diễn toán chất lượng nước trong hệ thống kênh. o Ước tính sự giảm chất ô nhiễm từ các bể lắng đọng hoặc trạm xử lý nước. III . Các thuật toán trong SWMM : Cơ sở toán học của SWMM : Phần mền SWMM này gồm 2 modun chính đó là : ¾ Modun Runoff trong SWMM là modun tính dòng chảy từ mưa, các chất ô nhiễm trên các lưu vực. www.tainguyennuoc.vn 15 ¾ Modun Transport trong SWMM diễn toán dòng chảy trên / trong hệ thống các đường ống, kênh dẫn, các hồ điều hòa, trạm bơm, trạm xử lý của hệ thống tiêu thoát nước đô thị . SWMM cho phép tính toán dòng chảy cả về chất và lượng trong từng lưu vực con, tốc độ chảy, chiều sâu chảy, chất lượng nước trong từng đoạn ống cống, kênh dẫn trong quá trình mô phỏng bao gồm nhiều bước thời gian. 1.Tính toán lượng mưa hiệu quả. Việc tính toán lượng mưa hiệu quả được thực hiện bằng phương pháp khấu trừ tổn thất do thấm, điền trũng, bốc hơi từ bề mặt đất, điền trũng, và do thấm. PEF (t) = N (t) – VP (t) – F (t) – W (t) (2.2) Trong đó : PEF : Lượng mưa hiệu quả (mm). N : Lượng mưa (mm). P : Lượng bốc hơi bề mặt (mm). F : Lượng thấm vào trong đất (mm). W(t) : Lượng trữ bề mặt – tổn thất điền trũng (mm). t : Thời gian. Lượng mưa : được đưa vào mô hình bằng giá trị lượng mưa hoặc cường độ mưa theo thời đoạn. Lượng bốc hơi bề mặt : lượng bốc hơi bề mặt được người sử dụng nhập vào mô hình, có thể được tính theo phương pháp sau: - Phương pháp cân bằng năng lượng: nr RE 0353,0= Trong đó: Er : Lượng bốc hơi(mm/ngày). Rn : Bức xa thực(W/m2). - Phương pháp khí động lực: )( aasa eeBE −= (2.3) với 2 0 2 2 ln 102,0 ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ = z z uB ; ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ += T Teas 3,273 27,17exp611 ; asha eRe = Trong đó: Ea : Lượng bốc hơi (mm/ngày). u2 : Tốc độ gió (m/s) đo tại chiều cao z2 (cm). www.tainguyennuoc.vn 16 z0 : Chiều cao mẫu nhám (cm). Rh : Độ ẩm tương đối (%). Lượng trữ bề mặt : là lượng nước bị tích tụ lại khi dòng chảy di chuyển qua vùng có địa hình âm như ao, hồ, chỗ trũng trên mặt đường… Lượng trữ bề mặt rất khó xác định do tính phức tạp của lưu vực đô thị, do vậy thành phần này thường được đánh giá qua điều tra và sau đó hiệu chỉnh qua mô hình. 2.Tính toán thấm, lượng thấm: Thấm là quá trình có tính quyết định với vai trò là đại lượng vào cho hệ thống đất thoáng khí. Ý nghĩa quan trọng của quá trình thấm trong các quá trình động lực của quá trình trao đổi nước trong đất là phân chia lượng mưa thành nước bề mặt và nước trong đất do ảnh hưởng đến quá trình thủy văn, đặc biệt sự hình thành dòng chảy trên lưu vực. Để tính toán dòng chảy đạt độ chính xác và phù hợp với các quy luật vật lý, đã có nhiều mô hình thấm được xây dựng. Trong mô hình SWMM có 2 phương pháp để lựa chọn: ¾ Phương pháp mô hình thấm HORTON (1940) : là mô hình thấm 1 giai đoạn. Horton nhận xét rằng quá trình thấm bắt đầu từ một tốc độ thấm f không đổi nào đó, sau đó giảm dần theo quan hệ số mũ cho đến khi đạt tới một giá trị không đổi f . Mô hình thấm Horton được áp dụng cho để tính cho trận mưa 1 đỉnh và dạng đường cong mưa biến đổi không lớn. 0 ∞ effff p )( 00 ∞−+= -kt (2.4) Trong đó: fp (mm/s): Cường độ thấm vào đất. f∞ (mm/s): Cường độ thấm nhỏ nhất tại thời điểm bão hòa. f0 (mm/s): Cường độ thấm lớn nhất tại thời điểm ban đầu t=0. t (s) : Thời gian tính từ lúc bắt đầu trận mưa rơi. k (T-1): Hằng số chiết giảm. Các thông số f∞, f0, k hoàn toàn xác định đường cong thấm fp và được người sử dụng đưa vào tính toán. www.tainguyennuoc.vn 17 ¾ Phương pháp mô hình thấm Green-Ampt (1911) : xây dựng dựa trên phương trình thấm Darcy. Mein - Lason (1973) đã cải tiến phương pháp này để tính toán quá trình thấm theo hai giai đoạn: giai đoạn bão hoà và giai đoạn sau bão hoà. Trong giai đoạn bão hòa, đường cong cường độ thấm là đường quá trình mưa thực do lượng mưa trong giai đọan này chỉ tham gia vào quá trình thấm. Trong giai đoạn sau bão hòa, lớp đất bề mặt đã bão hòa nước, đường cong thấm giảm theo quy luật thấm trọng lực. Phương trình thấm Green-Ampt được viết dưới dạng: V = K.J (2.5) Trong đó: V: Cường độ thấm vào đất (mm/s). K: Hệ số thấm thuỷ lực bão hoà (mm/s). J: Độ dốc thủy lực, J=Sf. • Khi F < Fs thì f = i và F= 1 . − Ks i IDMS với i> Ks; và f = i • Khi F ≥Fs thì f = f p và fp=Ks (1+ F IDMS. ) Trong đó: f: Cường độ thấm vào đất (mm/s). fp: Cường độ thấm tiềm năng (mm/s). i: Cường độ mưa (mm/s). F: Lượng thấm tích luỹ (mm). Fs: Cường độ thấm tích luỹ đến trạng thái bão hoà (mm). S: Sức hút mao dẫn trung bình (mm). IDM: Độ thiếu hụt ẩm ban đầu. Ks: Hệ số thấm thuỷ lực bão hoà (mm/s). Theo EULER (1989) lượng bốc hơi ngày được tính theo công thức VP(mm)=1,58 +(0,96+0,0033i)sin{2π /365(i-148)] (2.6) www.tainguyennuoc.vn 18 Trong đó i: Ngày tính theo nămthủy văn. i=1 Ngày 1 tháng 1. i=365 Ngày 31 tháng 10 năm sau. VP : Lượng bốc hơi ngày thứ i Lượng trữ bề mặt rất khó xác định do tính phức tạp của lưu vực đô thị, do vậy thành phần này thường được đánh giá qua điều tra và sau đó hiệu chỉnh qua mô hình. 3.Tính toán dòng chảy mặt Phương trình mô phỏng dòng chảy tràn trên mặt bao gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng. - Phương trình liên tục QiA dt ddA dt dV −== *. (2.7) Trong đó: V : Thể tích nước trên bề mặt lưu vực. d : Chiều sâu lớp dòng chảy mặt. t : Thời gian. A : Diện tích lưu vực bộ phận. i* : Cường độ mưa hiệu quả= cường độ mưa rơi trừ đi tổn thất và bốc hơi bề mặt. Q : Lưu lượng dòng chảy ra khỏi lưu vực đang xét. - Phương trình động lực: Phương trình Manning : 2/13/5)(1 Sdpd n WQ −= (2.8) Trong đó: W : Chiều rộng trung bình lưu vực (m). n: Hệ số nhám Manning. www.tainguyennuoc.vn 19 IV. Cấu tạo mạng lưới thoát nước trong SWMM SWMM dùng tập hợp các nút ( node ) các đoạn ống nối với các nút, hồ điều hòa, cửa xả, bơm…. Để mô tả hệ thống mạng lưới thoát nước. Cấu tạo mạng lưới hệ thống thoát nước bao gồm các thành phần : Subcatchment( lưu vực), Raingage(trạm mưa), Junction(nút),Storage Units( hồ điều hòa),Conduits(đường ống), Pumps(bơm), Regulatiors(van điều khiển hay van một chiều ), Outfalls(cửa xả), mối liên hệ của từng bộ phân được thể hiện trong sơ đồ sau đây Hình 2: Sơ đồ mô phỏng mạng lưới thoát nước trong SWMM www.tainguyennuoc.vn 20 V. Giao diện làm việc của mô hình SWMM Hình 3: Sơ đồ mô phỏng mạng lưới chạy với SWMM www.tainguyennuoc.vn 21 PHẦN IV : ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWMM TÍNH TIÊU THOÁT NƯỚC CHO KHU TÁI ĐỊNH CƯ Xà VĨNH LỘC B – HUYỆN BÌNH CHÁNH – THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH I. Tổng quan về khu vực thiết kế : 1. Điều kiện tự nhiên : ¾ Vị trí – ranh giới – diện tích : Vị trí giới hạn khu đất như sau : o Phía Đông Bắc giáp đường Nguyễn Văn Linh o Phía Nam giáp rạch Chổm o Phía Đông giáp rạch Bà Lớn o Phía Tây giáp khu dân cư 13E Diện tích trong ranh cắm đất là 279.269km² ¾ Khí hậu – thuỷ văn – địa chất : o Khí hậu : nằm trong khu vực có khí hậu nhiệt đới gió mùa, cận xích đạo, trong năm có hai mùa rõ rệt : mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11, mùa khô từ tháng 12 đến tháng 4 năm sau . o Thuỷ văn : chịu ảnh hưởng trực tiếp của thuỷ triều sông Nhà Bè theo chế độ bán nhật triều không đều. o Địa chất : Khu vực xây dựng hầu hết là đất ruộng lúa, ao hồ và sông rạch, đất ở chiếm tỉ lệ rất nhỏ. 2. Hiện trạng chuẩn bị kỹ thuật và thoát nước mưa: Hiện trạng xây dựng khá dày đặc, cao độ nền và độ dốc nền nhỏ vì vậy việc thoát nước có nhiều hạn chế (cao độ đáy cống bị mực nước triều khống chế). Nhìn một cách tổng thể, trên toàn Khu vực chưa có hệ thống thoát nước mặt hoàn chỉnh. Cống qua đường: Khu vực hiện có khoảng hơn 40 cống qua đường với các loại kết cấu bao gồm cống ngầm, có kích thước từ (Φ1000-Φ1500) và cống bản có kích thước từ (1200 x2600)mm đến (3000-2500)mm, chất lượng cống còn tương đối tốt, tuy nhiên nhiều cống đã bị tắc (do dòng chảy lũ mang theo nhiều bùn, cát và ý thức của người dân chưa cao). www.tainguyennuoc.vn 22 Các khu vực thường bị ngập úng: Tập trung chủ yếu tại xã Vĩnh lộc B Đánh giá hiện trạng: Trong mùa mưa lũ hiện tượng ngập úng vẫn thường xuyên xảy ra trong địa bàn thị xã, đặc biệt là khu vực do những nguyên nhân chính như sau: o Mạng lưới thoát nước hiện có chưa đầy đủ và hoàn chỉnh. o Các cống đã xây dựng chưa làm việc hết công suất tính toán. o Dòng chảy bị lấn chiếm do tình trạng xây dựng thiếu quản lý (công trình xây dựng trên lòng kênh, mương, các đìa tôm lấn chiếm dòng chảy sông. o Hệ thống kênh mương, các trục tiêu chính không được nạo vét trước mùa mưa lũ, cửa sông bị bồi lắng nên dòng chảy lũ không kịp thoát đã dềnh lên và tràn vào các khu vực ven sông (đặc biệt là vào thời điểm lũ gặp triều cường). 3. Hiện trạng thoát nước bẩn và vệ sinh môi trường: Hiện tại khu vực chưa có hệ thống thoát nước bẩn hoàn chỉnh. Nước thải tự thấm xuống đất hoặc tự chảy ra sông, suối, chỗ trũng một cách tùy tiện. Nước thải sinh hoạt mới được xử lý cục bộ trong từng hộ gia đình, song chỉ chiếm một tỷ lệ rất nhỏ. Hệ thống thoát nước bẩn khu vực Vĩnh Lộc B hiện nay chưa có vì vậy nước trong các kênh rạch và các đoạn sông, hồ biển trong khu vực đã bị ô nhiễm. Hiện nay chưa có các mẫu xét nghiệm của các nguồn nước song theo quan sát thì nước trong các kênh rạch rất đen và hôi thối. Để cải thiện môi trường, đảm bảo sức khoẻ cho nhân dân và cảnh quan đô thị cần phải xây dựng hệ thống thoát nước bẩn hoàn chỉnh và hiện đại. II. Mô phỏng mạng lưới thoát nước bằng mô hình trong SWMM 1. Các thông số đầu vào a. Lưu lượng nước thải Lưu lượng nước thải chảy vào đoạn ống tính toán bao gồm nước thải sinh hoạt, nước thải từ các xí nghiệp công nghiệp, các công trình công cộng, dựa vào công thức tính toán lưu lượng đã trình bày ở trên ta có lưu lượng nước thải chảy vào từng đoạn ống như sau : www.tainguyennuoc.vn 23 Đoạn ống Chiều dài (m) Lưu lượng (l/s) 1 - 2 134.80 14.13 2-3 183.50 6.77 3-4 134.60 2.70 4-5 92.00 1.74 5-6 122.70 2.13 6-7 154.30 2.35 8-9 126.20 35.17 9-10 122.50 5.42 10-11 202.60 6.60 11-12 125.40 2.88 12-13 145.50 3.13 Bảng 1: Chiều dài, lưu lượng trong các đoạn ống b.Lưu lượng nước mưa Vì đây là vùng đô thị nên tần suất được chọn dùng để tính toán mưa là 90%, từ chuỗi số liệu mưa giờ nhiều năm, ta lập bảng tính mưa ngày lớn nhất tương ứng với một năm .Sau đó vẽ đường tần suất ứng với chuỗi số liệu mưa của nhiều năm Hình 4: Đường tần suất mưa ngày ứng với tần suất 90% Ứng với lượng mưa có tần suất là 90 % = 221.08 mm ta có được năm điển hình là : năm 1997 với X= 247.3 mm. www.tainguyennuoc.vn 24 Với năm 1997 có lượng mưa là X = 247.3 mm, từ đó ta có được lượng mưa ngày lớn nhất là ngày 25/09/1997, trong đề tài này lượng mưa sử dụng tính toán tiêu thoát nước là mưa trong 3 giờ lớn nhất ( ứng với khoảng thời gian từ 16h đến 18h với lượng mưa tương ứng là 10 – 35 và 15 mm/h). 2. Các bước thực hiện mô phỏng một Project : ¾ Khai báo các thông số mặc định và các tùy chọn. ¾ Vẽ sơ đồ lưu lượng và mạng lưới công trình thoát nước. ¾ Khai báo các thông số của hệ thống. ¾ Chạy mô phỏng. ¾ Xem xét kết quả. ¾ Hiệu chỉnh thông số đầu vào và mô phỏng lại (nếu cần). a. Khai báo các thông số mặc định và các tùy chọn (Project/Defaults): o Khai báo các ký hiệu cho từng đối tượng ÆTraïm ño möa Æ Tieåu löu vöïc Æ Nuùt Æ Cöûa xaû Æ Cöûa chia nöôùc Æ Vuøng tröõ taïm nöôùc Æ OÁng daãn ( keânh, oáng, soâng ) Æ Bôm 9 Tuyø choïn ñeå giöõ nguyeân caùc kyù hieäu duøng cho caùc project khaùc Hình 5: Khai báo các ký hiệu cho từng đối tượng www.tainguyennuoc.vn 25 o Khai báo các giá trị mặc định cho tiểu lưu vực Hình 6: Khai báo các giá trị mặc định cho tiểu lưu vực o Khai báo các giá trị mặc định cho nút, đường dẫn. Æ Dieän tích löu vöïc ( ha) Æ Beà roäng löu vöïc ( m) Æ Ñoä doác trung bình Æ % tyû leä dieän tích khoâng thaám Æ Heä soá nhaùm Maning cuûa phaàn khoâng thaám & vuøng thaám Æ Löôïng nöôùc tröõ laïi treân vuøng khoâng thaám Æ Löôïng nöôùc tröõ laïi treân vuøng thaám Æ Phaàn hoaøn toaøn khoâng thaám Æ Giaù trò cho nuùt Æ Chieàu saâu max cuûa nuùt Æ Chieàu daøi conduit (m) Æ Loaïi Conduit Æ Heä soá nhaùm cuûa Conduit Æ Ñôn vò tính ( CMS – m3/s ) Æ Phöông phaùp tính : Dynamic Wave cho doøng chaûy khoâng oån ñònh Hình 7: Khai báo các giá trị mặc định cho nút, đường dẫn. www.tainguyennuoc.vn 26 o Khai báo Map Option ( View / Map Options ) Khai baùo kyù hieäu tieåu löu vöïc Æ Khai baùo bieåu töôïng nuùt Æ Kyù hieäu bieåu töôïng ñöôøng oáng Æ Kyù hieäu nhaõn Æ Theå hieän caùc giaù trò treân maøn hình Æ Theå hieän kyù hieäu oáng Æ Loaïi muõi teân Æ Maøu neàn Æ Hình 8: Khai báo các giá trị mặc định cho Map Option b. Vẽ sơ đồ lưu vực và mạng lưới công trình thoát nước View Æ Back drop Æ Load Æ File mặt bằng đô thị cần đồ Æ ok Æ đồ lại đô thị theo mặt bằng trên. www.tainguyennuoc.vn 27 Hình 9: Trình tự vẽ sơ đồ lưc vực Có thể nhập 1 sơ đồ dạng File hay tạo sơ đồ biểu diễn ( trong đề tài này là tạo sơ đồ biểu diễn hoàn toàn mới ). Để xóa File mặt bằng đô thị vừa dẫn ta vào View Æ Back drop ÆUnload. Dùng các biểu tượng của lưu vực, cống, nút…. Mô phỏng mặt bằng khu vực. Do đặc điểm khu vực ở phía bắc có 1 con kênh dùng để dẫn nước thải nên dựa vào đặc điểm này ta vạch hai tuyến thoát nước chính thu toàn bộ nước thải và nước mưa của lưu vực sau đó thải ra kênh, nhằm tận dụng khả năng tự làm sạch của hồ và điều tiết lưu lượng nước thải trong khu vực trước khi thải ra kênh thì nức thải sẽ dược dẫn vào hồ điều tiết. Hình 10: Sơ đồ mô phỏng mạng lưới thoát nước trong mô hình SWMM c. Khai báo các thông số của hệ thống c.1. Khai báo đối tượng tiểu lưu vực – Subcatchments Lưu vực con là 1 khu vực hứng nước nhỏ trong lưu vực đô thị trong đó dòng chảy hình thành trong khu vực này đều chảy ra 1 điểm nào đó gọi là cửa ra của lưu vực. Người sử dụng phải chia khu vực nghiên cứu thành các khu vực con nhỏ cho phù hợp và xác định cửa ra của từng lưu vực. Lưu vực con có thẻ bao gồm các khu vực thấm nước hoặc không thấm nước. www.tainguyennuoc.vn 28 Qúa trình thấm trong lưu vực con xuống tầng chưa bão hòa được mô phỏng bằng 1 trong 3 mô hình thấm khác nhau :Horton infiltration, Green- Ampt infiltration, SCS Curve number infiltration (trong đề tài này chọn mô hình thấn Horton). Bảng thống kê diện tích lưu vực (ha) Lưu vực 1 1.60 Lưu vực 10 1.61 Lưu vực 2 1.27 Lưu vực 11 1.36 Lưu vực 3 0.83 Lưu vực 12 0.75 Lưu vực 4 1.10 Lưu vực 13 0.71 Lưu vực 5 1.02 Lưu vực 14 1.08 Lưu vực 6 1.55 Lưu vực 15 1.19 Lưu vực 7 1.89 Lưu vực 16 0.82 Lưu vực 8 1.37 Lưu vực 17 0.77 Lưu vực 9 0.88 Bảng 2 : Diện tích các lưc vực Vì đây là khu đô thị mới được trải nhựa ở tất cả các con đường nên diện tích vùng thấm gần như chủ yếu trong các nhà dân do đó ta chọn diên tích này bằng 25% diện tích toàn bộ lưu vực, việc phân chia lưu vực dựa vào mặt bằng và cao trình mặt đất. Æ Traïm möa phuï traùch Æ Nuùt nhaän nuôùc Æ Dieän tích löu vöïc ( ha) Æ Chieàu roäng chaûy traøn (m) Æ Ñoä doác maët ñaát ( %) Æ Tyû leä dieän tích khoâng thaám Æ Heä soá nhaùm Maning cuûa vuøng khoâng thaám & vuøng thaám Æ Lôùp nöôùc tröõ treân vuøng khoâng thaám & vuøng thaám ( mm) Æ Tyû leä dieän tích hoaøn toaøn khoâng tröõ (%) Æ Kieåu traøn Æ Tyû leä tham gia traøn Æ Phöông trình thaám ( Horton , Grenn-Apt) Hình 11:Giao diện nhập số liệu cho lưu vực www.tainguyennuoc.vn 29 c.2. Khai báo thông số đo mưa - Rain Gages Đối với những lưu vực rộng lớn thì sử dụng nhiều cơn mưa khác nhau. ở đây khu vực tính toán trong đề tài là khu vực nhỏ ( 31 ha ) nên chỉ cần lấy một cơn mưa cho toàn lưu vực. Số liệu của mưa thiết kế được lấy từ trạm đo Tân Sơn Nhất là trạm đo mưa tương đối nằm gần quận Bình Chánh. SWMM cho phép vào số liệu mưa cho 1 hoặc nhiều lưu vực con trong khu vực nghiên cứu.Số liệu mưa được đưa vào dưới dạng chuỗi số hoặc có thể dưới dạng File. Hình 12: Giao diện khai báo thông số đo mưa Các thông số chính của dữ liệu mưa : o Tên trận mưa (Name) o Kiểu mưa (Rain Format): bao gồm mưa thời đoạn, mưa thể tích, mưa tích lũy. Trong đề tài sử dụng số liệu mưa theo giờ ( Intensity – mm/h). o Khoảng thời gian mưa (Rain Interval): là đoạn thời gian giữa các lần ghi giá trị đo mưa. o Số liệu của trận mưa (Data sourse – Timeseries) www.tainguyennuoc.vn 30 o Đơn vị tính ( mm, inch ) o Nhập giá trị trận mưa thiết kế : curves Æ Time Series Hình 13: Chuỗi thời gian mưa Hình 14: Đường đặc tính của trận mưa c.3. Khai báo đối tượng Nút – Junction ( nút thu nước ) Là điểm kết nối giữa các kênh hở, các hố ga chính trong hệ thống cống, hoặc là điểm nối giữa các đường ống cống, dòng chảy bên ngoài có thể đổ vào các Junctions này. Nút thu nước là nơi thu nhận toàn bộ lượng nước trên tiểu lưu vực đó (bao gồm nước mưa chảy tràn trên lưu vực, nước thải). Độ sâu chôn cống được nhập www.tainguyennuoc.vn 31 thông qua độ sâu ban đầu của nút, thông thường cống thoát nước phải đặt sâu là để đảm bảo cho nó không bị phá hoại do tác động cơ học gây nên đồng thời cũng nhằm để đảm bảo 1 độ dốc cần thiết sơ bộ có thể lấy bằng 1,5 m. Surcharge depth Invert Elev Z maët ñaát Hình 15 : Sơ đồ chôn cống Hình 16: Giao diện nhập dữ liệu cho nút thu nước Max depth Initial depth Æ Löu löôïng nhaäp theâm vaøo nuùt Æ Trạm xử lý Æ Cao ñoä ñaùy hoá ga (m) Æ Chieàu saâu max cuûa hoá ga = Zgr – Z inv Æ Chieàu saâu nöôùc ban ñaàu cuûa hoá ga Æ Chieàu saâu lôùp nöôùc ngaäp khi traøn ra ngoaøi Æ Dieän tích bò ngaäp khi H > Hmax + H surcharge www.tainguyennuoc.vn 32 o Khai báo thông số Inflow của Junction ( lưu lượng nhập thêm vào nút ) - Q chaûy vaøo heä thoáng ñeán töø nôi khaùc - Khai baùo baèng chuoãi thôøi gian Æ Nöôùc thaûi sinh hoaït Æ Khai baùo baèng giaù trò trung bình Æ Khai baùo baèng Time Pattern Doøng chaûy phaùt sinh töø löu vöïc khaùc, coù nguoàn goác töø möa, Ñöôïc khai baùo baèng Thuûy ñoà ñôn vò (Unit Hydrograph) vaø dieän tích löu vöïc. Hinh17: Giao diện nhập giá trị lưu lượng cho nút www.tainguyennuoc.vn 33 c.4. Khai báo đối tượng tuyến thoát nước – Conduit Là các đường ống cống, các kênh có khả năng vận chuyển nước từ nút này đến nút khác trong hệ thống tiêu thoát nước. Hình dạng mặt cắt ngang của đường ống cống và kênh có rất nhiều hình dạng: tam giác, tròn, hình thang, hình vuông, chữ nhật …các tham số đầu vào của các đường ống và kênh bao gồm: Æ Nuùt vaøo Æ Nuùt ra Æ Hình daïng Æ Chieàu saâu max (m) Æ Chieàu daøi (m) Æ Heä soá nhaùm Maning Æ Chieàu cao baäc chaûy vaøo (m) Æ Chieàu cao baäc chaûy ra (m) Æ Löu löôïng ban ñaàu ( m3/s) Æ Heä soá toån thaát cuïc boä ñaàu vaøo (0,5) Æ Heä soá toån thaát cuïc boä ñaàu ra (1) Æ Heä soá toån thaát cuïc boä khaùc treân ñoaïn coáng Æ Van ngaên moät chieàu ( yes = chaûy ra ) Hình 18: Giao diện nhập dữ liệu cho cống Để tiết kiệm diện tích, tận dụng tối đa khả năng dẫn nước, trong đề tài này sử dụng cống tròn có đường kính từ 800mm đến 1200mm. www.tainguyennuoc.vn 34 c.5. Khai báo đối tượng hồ điều hòa - Storage Unit Tận dụng điều kiện tự nhiên có sẵn nhằm làm giảm chi phí xây dựng trạm xử lý cũng như góp phần điều hòa lưu lượng dòng chảy trong hệ thống trước khi nước thải được xả ra kênh sẽ được dẫn vào hồ, sau đó từ hồ nước sẽ theo cống dẫn và xả ra ngoài cửa xả. Trong SWMM - EXTRAN sử dụng chương trình Storage để diễn toán hồ chứa. Quá trhình diễn toán sông - hồ theo sơ đồ tổng quát như sau: I (Input) ) V O (Output) Hình 19: Sơ đồ tổng quát diễn toán dòng chảy qua hồ chứa. Phương trình mô phỏng hồ chứa là phương trình cân bằng thể tích theo mối quan hệ trên trong bước thời gian Δ t : OI t V −=Δ Δ ( 2.9) Trong đó: OI − Là lượng dòng chảy vào và ra hồ chứa trong thời đoạn t (mΔ 3/s) V Là lượng nước trong hồ chứa (m3). Hình 20: Mối quan hệ giữa chiều sâu và diện tích của hồ-Đường đặc tính của hồ www.tainguyennuoc.vn 35 Æ Doøng chaûy vaøo Æ Tram xu ly Æ Cao ñoä ñaùy (m) Æ Chieàu saâu toái ña (m) Æ Chieàu saâu nöôùc ban ñaàu (m) Æ Dieän tích khu tröõ (m2 ) Æ Heä soá xeùt ñeán boác hôi ( 0 -1) Æ Ñöôøng cong hình daïng hoà - Teân ñöôøng cong dung tích – Storage Curve Hình 21: Giao diện nhập dữ liệu cho hồ c.6. Khai báo đối tượng cửa xả – Outfall Là các nút của hệ thống tiêu thoát nước dùng để xác định các biên cuối cùng của hệ thống ở chế độ chảy sóng động lực học. Các điều kiện biên tại outfall có thể được mô tả bằng 1 trong các trạng thái quan hệ sau: Độ sâu dòng chảy thông thường hay critical, cao độ ở nhiều mức độ khác nhau, bị ảnh hưởng của triều, hoặc theo chuỗi thời gian. Cửa xả là nơi tiếp nhận nước từ hồ chứa và đưa ra ngoài kênh. Trong trường hợp này ta xem xét cửa xả không chịu ảnh hưởng của triều và trạng thái chảy là chảy tự do. Do cao trình đáy của hồ điều hòa -2m để nước có thể tự chảy và ngăn không cho bùn cát chảy theo ta chọn cao trình đáy cửa xả là -1,5m. www.tainguyennuoc.vn 36 - Löu löôïng nhaäp theâm - Cao ñoä ñaùy (m) - Coù / khoâng coù van ngaên trieàu - Traïng thaùi ƒ Fr ee : chaûy töï do ( khoâng ngaäp ) ƒ Normal : möïc nöôùc taïi cöûa xaû laø doøng ñeàu ƒ Fixed : möïc nöôùc taïi cöûa xaû coá ñònh ƒ Tidal : möïc nöôùc dao ñoäng theo tr ieàu töøng giôø tr ong ngaøy ƒ Time Ser ies : möïc nöôùc dao ñoäng theo thôøi gian Hinh 22: Giao diện nhập dữ liệu của cửa xả III. Các phương án tính toán Trong đề tài này tính cho hai trường hợp Trường hợp 1 : Nhằm kiểm tra khả năng chuyển tải nước thải trong cống và khả năng điều tiết của hồ chứa nên trường hợp này của chỉ xét ở một ảnh hưởng nhỏ của nước triều đến hệ thống thoát nước và để thiên về an toàn thì trường hợp này chạy với điều kiện không được ngập trong cống. Trường hợp 2 : Để đề tài phù hợp với thực tế và tận dụng hết khả năng mô phỏng của phần mềm thì trong trường này ta xét tới ảnh hưởng của mức nước triều lên hệ thống. Trong trường hợp bất lợi nhất là khi mưa trong ngày lớn nhất ứng với mực nước triều ngoài kênh là lớn nhất. Trong cả hai trường hợp này đều tính tiêu thoát nước cho trận mưa kéo dài trong vòng 3 giờ và hệ thống thoát nước phải tiêu trong vòng 30 phút để đảm bảo cho hệ thống không bị ngập và phù hợp với thực tế. www.tainguyennuoc.vn 37 IV. Nội dung tính toán 9 Với trường hợp 1 : Từ các thiết lập ở trên ta tiến hành mô phỏng hệ thống thoát nước Vào General chọn: o lựa đơn vị lưu lượng: CMS (m 3 /s) o mô hình thấm: Horton o phương pháp lộ trình sóng: sóng động học – Dynamic Wave o và ấn định việc không cho ngập: Allow Ponding Hình 23: Giao diện mô phỏng hệ thống thoát nước Doøng oån ñònh Æ Ñoäng hoïc Æ Soùng ñoäng hoïc Æ Chọn thời điểm bắt đầu quá trình mô phỏng, kết thúc mô phỏng ( do lượng mưa giờ lớn nhất là lúc 16 – 17 - 18 giờ ngày 25/9/1997 nên chọn thời điểm mô tả từ 15h30 và kết thúc lúc 20h www.tainguyennuoc.vn 38 Thôøi gian baét ñaàu phaân tích Æ Thôøi gian baét ñaàu baùo caùo Æ Thôøi gian keát thuùc phaân tích Æ Hình 24: Giao diện chọn thời gian mô phỏng Chọn thời gian theo dõi diễn biến chuyển động của nước thải cũng như khả năng điều tiết của hồ ( khoảng thời gian được chọn là 30 phút ). Hình 25: Giao diện chọn thời gian theo dõi mô phỏng www.tainguyennuoc.vn 39 ¾ Chạy mô phỏng: Run Hình 26: Giao diện chạy mô phỏng V. Khai thác kết quả : ¾ Xem diễn biến dòng chảy của một tuyến nào đó ta vào: Report/Graph/Profile Hình 27: Giao diện xem diễn biến dòng chảy của 1 tuyến www.tainguyennuoc.vn 40 Hình 28 a. Mô phỏng diễn biến của dòng chảy trên tuyến từ nút 1 – cửa xả tại thời điểm đầu trận mưa. Hình 28 b. Mô phỏng diễn biến của dòng chảy trên tuyến từ nút 1 – cửa xả tại thời điểm kết thúc trận mưa. Ta thấy tại thời điểm đầu trận mưa hệ thống luôn đảm bảo khả năng chuyền tải nước thải không xảy ra tình trạng ngập, nhưng khi trận mưa kết thúc do có sự sâm nhập của nước mưa cộng với nước thải sẵn có làm hệ thống( tuyến 1 – cửa xả) bị ngập hai nút, nút 1 và nút 2 do lưu lượng trong đường ống quá lớn so với đường kính ống của nó. Để khắc phục tình trạng ngập của hệ thống thì ta tiến hành khai báo lại các thông số đầu vào của hệ thống ( đường kính ống). Để thay đổi thông số của đối tượng nào thì trên hệ thống ta chỉ cần nhấp đúp chuột vào đối tượng đó rồi nhập giá trị mới cho nó. www.tainguyennuoc.vn 41 Sau khi khai báo lại thông số đầu vào của hệ thống ( đường kính ống) ta được diễn biến trạng thái dòng chảy trong hệ thống ( tuyến 1 – cửa xả ) như sau: Hình 29a: Mô phỏng diễn biến của dòng chảy trên tuyến từ nút 1 – cửa xả tại thời điểm đầu trận mưa Hình 29.b: Mô phỏng diễn biến của dòng chảy trên tuyến từ nút 1 – cửa xả tại thời điểm kết thúc trận mưa. Ta thấy tại thời điểm đầu trận mưa và tại thời điểm kết thúc trận mưa hệ thống luôn đảm bảo khả năng chuyền tải không xảy ra tình trạng ngập.Điều đó có nghĩa là việc chọn các thông số đầu vào của hệ thống (đường kính ống) là hợp lý. Tiến hành các bước tương tự như trên cho tuyến còn lại ta cũng chọn được hệ thống hợp lý. www.tainguyennuoc.vn 42 Hình 30: Mô phỏng diễn biến của dòng chảy trên tuyến từ nút 1 – nút 13 tại thời điểm kết thúc trận mưa. ¾ Xem xét khả năng điều tiết của hồ chứa : Table/by object/nodes Bảng 3: Bảng kết quả tính toán đối với hồ chứa Từ đường quá trình diễn biến của nước thải và bảng kết quả của hồ ta thấy tại bất kỳ thời điểm nào của trận mưa thì hồ luôn đảm bảo khả năng tự điều tiết, không bị ngập ( Flooding = 0). Cũng từ kết quả trên ta thấy được mực nước trong hồ cao nhất là 1m điều này giúp ta thiết kế hồ với dung tích hợp lý nhất, vừa đảm bảo khả năng điều tiết của hồ vừa đảm bảo yêu cầu kinh tế. www.tainguyennuoc.vn 43 ¾ Xem xét lưu lượng nước thải từng đoạn ống, độ đầy, vận tốc dòng chảy Table/by object/link Bảng 4: Bảng kết quả tại cống số 5 Ta thấy vận tốc nước thải trong đường ống dao động trong khoảng từ 0,76 m/s đến 1,63 m/s. Vận tốc min là 0,76 m/s luôn lớn hơn vận tốc V min = 0,7 m/s (TCVN)( đối với ống tròn) . Do đó việc chọn đường kính ống và chiều sâu chôn cống cũng như độ dốc cống là hợp lý. Bảng 5: Bảng kết quả tại cống số 14 www.tainguyennuoc.vn 44 ¾ Xem lưu lượng ứng với từng độ sâu tại nút: Table/by object/nodes Bảng 6: Bảng kết quả tại cửa xả Tại bảng kết quả của cửa xả thì độ sâu mực nước tối đa là 0,25 m. Khi tính toán cho trường hợp cửa xả chịu ảnh hưởng của triều ta sẽ dùng kết quả này để xác định thời điểm cửa van sẽ đóng, cũng như chiều cao của cửa van 1 chiều. ¾ Xem biểu đồ quan hệ giữa các đại lượng ta vào : Report/ Graph/ Scatter Hình 31: Biểu đồ quan hệ giữa độ sâu mực nước và lưu lượng tại cửa xả www.tainguyennuoc.vn 45 Tại bảng kết quả tại cống số 14 ta thấy lưu lượng nước thải đạt lớn nhất là 1,65 (m3/s) tại độ sâu trong cống là 0,62m. Tại bảng kết quả của cửa xả thì độ sâu mực nước tối đa là 0,25 m. Khi tính toán cho trường hợp cửa xả chịu ảnh hưởng của triều ta sẽ dùng kết quả này để xác định thời điểm cửa van sẽ đóng, cũng như chiều cao của cửa van 1 chiều. 9 Trường hợp 2 : Nhằm nâng cao tính thiết thực của đề tài trường hợp này xem xét ảnh hưởng của triều tới sự chuyển động của nước thải trong hệ thống. Khi đó dòng chảy trong cống là dòng chảy không áp. o Khai báo mực nước triều : Curves/tidal Curves Hình 32: Biểu đồ dao động mực nước triều và đường cong đặc tính www.tainguyennuoc.vn 46 Giữ nguyên các thông số đã khai báo ở trên và chạy trong trường hợp ảnh hưởng của triều ực nước thải trong cống khi có triều ( tuyến nút 1 – cửa xả ) Hình 33 a: M Hình 33 b: Mực nước thải trong cống khi có triều ( tuyến nút 8 – nút 13 ) Thấy nước trên hệ thống xảy ra tình trạng ngập, do mực nước triều quá cao, lưu lượng chảy từ ngoài kênh vào hệ thống lớn nên trong trường hợp này hồ không còn khả năng điều tiết lưu lượng trong hệ thống. ™ Giải pháp : Để có thể khắc phục được tình trạng ngập trong hệ thống ta lắp đặt thêm cửa van một chiều điều tiết tự động theo triều tại cửa xả, ứng với mực nước triều lớn đồng thời trong khu vực xảy ra mưa thì sau đó dùng bơm để bơm nước từ hồ ra ngoài kênh. Để có thể mô tả được van điều tiết và bơm trong hệ thống ta gắn thêm nút số 14, nút số 14 này đóng vai trò như 1 tường chắn có cao trình cao hơn mực nước triều, www.tainguyennuoc.vn 47 khi mực nước triều lên thì cửa van một triều sẽ đóng lại khi đó bơm sẽ bơm nước từ hồ ra nút số 14. Hình 34: Sơ đồ hệ thống bố trí van điều tiết và bơm khi có triều Trong trường hợp 1 tính với trường hợp mực nước triều thấp hơn cửa xả ta đã xác định được mực nước max trong cửa xả là 0.25m ta sẽ dùng mực nước này làm gốc để xác định thời điểm đóng cửa van điều tiết. Khi triều lên sẽ xảy ra hiện tượng nước chảy ngược từ ngoài vào làm mực nước trong cửa xả cao hơn mực nước này khi đó cửa van một triều sẽ phải đóng lại. Cao trình đáy cống là -1,5m mực nước triều cao nhất là 1,47 m để an toàn ta chọn chiều cao của cửa van là 3,5 m. www.tainguyennuoc.vn 48 o Khai báo đối tượng cửa van – Outlet : Curves/Rating Curves Æ Nút vào ÆNút ra Æ Chiều cao so với đáy cống (m) Æ Van một chiều Æ Đường cong đặc tính Æ Hệ số A của phương trình đường cong đặc tính Æ Số mũ b của phương trình đường cong đặc tính Q = AHb Hình 35: Giao diện nhập thông số cho cửa van Hình 36: Khai báo thông số của cửa van và đường đặc tính www.tainguyennuoc.vn 49 o Khai báo đối tượng bơm – Pump Æ Nút vào Æ Nút ra Æ Tên đường cong đặc tính – Pump Curve Æ Tình trạng ban đầu ( on/off ) Hình 37: Các thông số khai báo cho bơm Trong SWMM ta phép ta chọn bơm tùy ý, sau đó chạy mô hình rồi kiểm nghiệm lại kết quả. Việc thử nghiệm sẽ dùng lại khi máy bơm ta chọn phải có khả năng điều tiết lưu lượng trong hệ thống, không còn tình trạng ngập trong hệ thống. Hình 38: Khai báo thông số bơm và đường đặc tính bơm www.tainguyennuoc.vn 50 Bơm được coi là các điểm nối, được sử dụng để tạo đầu nước. Đường cong bơm mô tả mối quan hệ giữa tốc độ bơm và điều kiện của các nút đầu ra và đầu vào. Tại thời điểm xét nước đã ngập nên trạng thái ban đầu của bơm là đang chạy. Giữ nguyên các thông số sau khi đã khai báo ở trên ta bắt đầu quá trình mô phỏng trong trường hợp có triều. Vào General chọn lựa đơn vị lưu lượng, mô hình thấm, phương pháp lộ trình sóng và ấn định chế độ chảy không áp. Hình 39: Các chế độ lựa chọn cho quá trình mô phỏng o Chọn Run để bắt đầu quá trình mô phỏng Hình 40: Chạy mô phỏng www.tainguyennuoc.vn 51 Hình 41: Diễn biến của dòng chảy trong cống khi có bơm (tuyến 1 – nút 14) Hình 42: Diễn biến của dòng chảy trong cống khi có bơm(tuyến nút 8 – nút 13) • Xem kết quả theo từng đối tượng (Subcatchment( lưu vực), Junction(nút),Storage Units( hồ điều hòa),Conduits(đường ống)…) ta vào Report Æ status và nhận được kết quả như sau: www.tainguyennuoc.vn 52 Bảng 7: Bảng kết quả theo từng đối tượng www.tainguyennuoc.vn 53 ™ Nhận xét : Từ diễn biến dòng chảy và kết quả cho tại bảng 7 ta thấy tại thời điểm đầu trận mưa và tại thời điểm kết thúc trận mưa hệ thống luôn đảm bảo khả năng chuyền tải không xảy ra tình trạng ngập.Điều đó có nghĩa là việc chọn các thông số đầu vào của hệ thống (đường kính ống, độ sâu chôn cống, độ dốc ) là hợp lý Cũng từ diễn biến của dòng chảy trong cống trên tuyến từ nút 1 đến nút 14 ta thấy lưu lượng trong cống sau khi bơm ít không đảm bảo được độ đầy trong cống. Tuy nhiên đây chỉ là tình trạng tạm thời trong đường ống khi mực nước www.tainguyennuoc.vn 54 thủy triều lên một cách đột ngột, do đó việc trọn bơm có cao trình bơm, lưu lượng bơm như vậy là hợp lý. • Với kết quả như trên ta có thể thiết kế hệ thống thoát nước chính cho vùng dự án đang nghiên cứu như sau: Bảng 8: Thông số thiết kế hệ thống đường ống thoát nước chính Cống Loại cống Hình dạng cống Đường kính cống d m Chiều dài m Hệ số nhám Maning Đoạn 1-2 Bê tông cốt thép Cống tròn Circular 0.4 134.8 0.01 Đoạn 2-3 Bê tông cốt thép Cống tròn Circular 0.6 183.5 0.01 Đoạn 3-4 Bê tông cốt thép Cống tròn Circular 0.7 134.6 0.01 Đoạn 4-5 Bê tông cốt thép Cống tròn Circular 0.8 92 0.01 Đoạn 5-6 Bê tông cốt thép Cống tròn Circular 0.9 122.7 0.01 Đoạn 6-7 Bê tông cốt thép Cống tròn Circular 1.0 154.3 0.01 Đoạn 8-9 Bê tông cốt thép Cống tròn Circular 0.5 126.2 0.01 Đoạn 9-10 Bê tông cốt thép Cống tròn Circular 0.6 122.5 0.01 Đoạn 10-11 Bê tông cốt thép Cống tròn Circular 0.8 202.6 0.01 Đoạn 11-12 Bê tông cốt thép Cống tròn Circular 0.9 125.4 0.01 Đoạn 12-13 Bê tông cốt thép Cống tròn Circular 1.0 145.5 0.01 Đoạn 7-13 Bê tông cốt thép Cống tròn Circular 1.0 109 0.01 Đoạn 13-Hồ ĐH Bê tông cốt thép Cống tròn Circular 1.2 146.4 0.01 www.tainguyennuoc.vn 55 PHẦN V : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Qua quá trình tìm hiểu nghiên cứu phần mềm SWMM, ứng dụng tính toán tiêu thoát nước cho xã Vĩnh Lộc B - huyện Bình Chánh - Tp Hồ Chí Minh, cho phép rút ra một số kết luận cụ thể sau đây: Về vùng nghiên cứu xã Vĩnh lộc: Hiện trạng xây dựng khá dày đặc, cao độ nền và độ dốc nền nhỏ vì vậy việc thoát nước có nhiều hạn chế (cao độ đáy cống bị mực nước triều khống chế). Nhìn một cách tổng thể, trên toàn khu vực chưa có hệ thống thoát nước mặt hoàn chỉnh. Cống qua đường: khu vực hiện có khoảng hơn 40 cống qua đường với các loại kết cấu bao gồm cống ngầm, có kích thước từ (Φ1000-Φ1500) và cống bản có kích thước từ (1200 x2600)mm đến (3000-2500)mm, chất lượng cống còn tương đối tốt, tuy nhiên nhiều cống đã bị tắc (do dòng chảy lũ mang theo nhiều bùn, cát và ý thức của người dân chưa cao). Về phần mềm: 9 Ưu điểm của phần mềm: 1.Khả năng mô phỏng của phần mềm: SWMM không những mô phỏng được hệ thống đường ống, các công trình trong hệ thống thoát nước mà còn cho ta thấy diễn biến trạng thái chảy của của nước thải trên từng đoạn ống, của toàn hệ thống điều này giúp ích rất nhiều trong việc xây dụng hệ thống thoát nước đặc biệt là trong việc cải tạo hệ thống thoát nước cũ, hay trong khu vực thoát nước có cả hệ thống đường ống cũ và mới 2.Hiệu chỉnh các thông số của dữ liệu đầu vào Giao diện nhập các thông số đầu vào khá đơn giản giúp người sử dụng có thể nhập một cách dễ dàng. SWMM cho phép người sử dụng có thể xem và thay đổi bất kỳ thông số nào của nút, của cống trong hệ thống thoát nước. Cung cấp nhiều loại ống cũng như các kích thước của ống để người sử dụng có thể chọn tùy thuộc vào điều kiện thực tế khi thi công cũng như thiết kế. 3.Thiết kế, hiệu chỉnh các thông số của máy bơm, van một chiều. www.tainguyennuoc.vn 56 Thông thường khi chọn máy bơm chúng ta phải tính toán để biết được chiều cao cột nước bơm, lưu lượng bơm cần thiết, trong khi đó với mô hình SWMM cho phép người sử dụng có thể chọn bơm tùy ý và hiệu chỉnh các thông số của bơm tới khi chọn được bơm phù hợp. 4. Hiển thị kết quả: Kết quả của việc tính toán thủy lực trong đường ống, nút, lưu vực… đều được SWMM trình bày dưới dạng bảng, có thể xem dưới dạng chuỗi thời gian hay tại thời 1 điểm bất kỳ. Ngoài ra SWMM còn cung cấp kết quả dưới dạng biểu đồ quan hệ các đại lượng trong hệ thống: lưu lượng – độ sâu, vận tốc – lưu lượng, độ sâu – vận tốc… 5. Khả năng xuất kết quả dưới dạng các file khác Ngoài việc hiện thị kết quả tính toán dưới dạng bảng, SWMM còn cho phép xuất kết quả dưới dạng filt ( *.txt ) để người sử dụng có thể xem và chỉnh sủa Bảng 7: Bảng kết quả tính toán tại cửa xả trong trường hợp 1 dưới dạng file (*.txt) www.tainguyennuoc.vn 57 Kiến nghị : Trong thực tế hiện nay đặc biệt là vùng mới quy hoạch như khu vực được đề cập đến trong đề tài thì nước thải sau khi thải ra kênh, nguồn xả thường được tập trung xử lý sau đó rồi mới thải ra nguồn tuy nhiên trong đề tài này do thời gian hạn hẹp nên chúng em chưa đề cập tới, hy vọng chúng em sẽ có dịp đề cập vấn đề này ở một đề tài khác chuyên sâu hơn. Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô, đặc biệt là thầy Triệu Ánh Ngọc đã giúp đỡ chúng em hoàn thành tốt đề tài này. Do lần đầu tiên chúng em làm quen với việc nghiên cứu khoa học nên đề tài không tránh khỏi những hạn chế chúng em mong nhận được sự góp ý của các thầy cô trong hội đồng, các ban sinh viên quan tâm để đề tài được hoàn thiện hơn. www.tainguyennuoc.vn 58 CÁC TÀI LIỆU Đà THAM KHẢO 1) SÁCH THOÁT NƯỚC ( Tập 1 – Mạng Lưới Thoát Nước, PGS-TS Hoàng Văn Huê ( chủ biên ), Nxbkh-kt. 2) Tài Liệu Quy Hoạch Và Phát Triển Huyện Bình Chánh – Tp Hồ Chí Minh. 3) Tiêu Chuẩn Ngành Cấp Thoát Nước 33-85. 4) Giáo trình máy bơm và trạm bơm – PGS.TS Lê Chí Nguyện 5) Bảng tra thủy lực 6) Và một số tài liệu khác… www.tainguyennuoc.vn