Tóm tắt Luận án Xây dựng mô hình thích hợp cho tính toán hệ thống công trình tổng hợp tiêu thoát nước đô thị vùng ảnh hưởng triều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO – BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM ==================== ĐẶNG THANH LÂM XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍCH HỢP CHO TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH TỔNG HỢP TIÊU THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ VÙNG ẢNH HƯỞNG TRIỀU Chuyên ngành: Kỹ thuật Tài nguyên nước Mã ngành: 62 58 02 12 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP Hồ Chí Minh-2015 I – I P P I I I I I I Ì Í Í Ì I Ị I ê : t t i ê c : I Ĩ í i - Công trình được hoàn thành tại: Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn Tất Đắc Phản biện 1: GS.TS Phạm Ngọc Quý Phản biện 2: PGS.TS Huỳnh Thanh Sơn Phản biện 3: PGS.TS Lê Văn Nghị Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Viện họp tại: .. Vào hồi giờ ngày tháng năm 2015 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc gia Việt Nam Thư viện Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Thư viện Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam 1 MỞ ĐẦU Thực tiễn và khoa học khẳng định việc giải quyết vấn đề tiêu thoát nước chống ngập úng hiệu quả phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó mô hình thuỷ văn thuỷ lực đô thị là công cụ quan trọng và không thể thiếu trong công tác quy hoạch, thiết kế mạng lưới tiêu thoát nước. Một phương pháp tính và chương trình máy tính tương ứng, với tên gọi DELTA-P, được xây dựng nhằm tính toán được sự tương tác giữa mạng kênh sông và mạng cống ngầm trong hệ thống tiêu chịu ảnh hưởng của cả mưa và ngập triều. Mục đích: Đề tài nghiên cứu nhằm giải đáp một trong những tồn tại về giải pháp khoa học tiêu thoát nước đô thị có xét đến yếu tố tác động của triều cường và mưa cục bộ trong điều kiện đô thị hoá. Đồng thời, cải tiến một số mô hình thuỷ lực kênh và cống ngầm kết kợp và áp dụng phù hợp với điều kiện một số thành phố vùng mưa lớn và triều cường ở nước ta. Điểm mới và sáng tạo: (1) Phát triển được môđun tính toán thuỷ lực bài toán tiêu thoát nước đô thị; (2) Kết nối môđun với với mô hình thuỷ lực sông kênh DELTA; (3) Giải đồng thời bài toán mưa trên lưu vực, dòng chảy trong cống và trong kênh ở vùng ảnh hưởng triều; (4) Công cụ có thể ứng dụng cho bài toán thực tế. Ý nghĩa khoa học: Luận án là một phát triển mới về mô hình tính tiêu thoát nước đô thị từ mưa trên bề mặt đô thị-đường ống- kênh, không trùng lặp với công trình đã có. Xây dựng mô hình tính toán hoàn chỉnh DELTA-P và đã được kiểm nghiệm. Ý nghĩa thực tiễn: Có một công cụ mới để giải quyết bài toán tiêu thoát nước đô thị. 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGẬP ÖNG ĐÔ THỊ, GIẢI PHÁP CHỐNG NGẬP VÀ MÔ HÌNH TÍNH TIÊU THOÁT NƯỚC 1.1 NGẬP LỤT VÀ CÁC GIẢI PHÁP CHỐNG NGẬP CHO MỘT SỐ THÀNH PHỐ Có thể nói rằng việc giải quyết vấn đề tiêu thoát nước cho đô thị có từ ngàn năm trước. Đến những năm 1980 nhờ phát triển công nghệ phần mềm vi tính mô phỏng hệ thống tiêu thoát nước đã làm tăng hiệu quả kinh tế của các công trình tiêu thoát nước và sáng tỏ nhiều vấn đề kỹ thuật. Ngày nay, số liệu thống kê đã đưa ra những con số về sự gia tăng đến mức chóng mặt những thiệt hại do ngập lụt gây ra. Nếu như đầu thế kỷ 20, trung bình mỗi năm trên thế giới, thiệt hại do ngập lụt vào khoảng 100 triệu đô la Mỹ, thì đến nửa sau của thế kỷ con số này đã vượt quá 1 tỷ, trong mười năm trở lại đây là trên 10 tỷ. Lũ, lụt ở Việt Nam chủ yếu được tạo ra bởi mưa gió mùa, bão nhiệt đới và triều cường. - Hà Nội có tốc độ đô thị hóa diễn ra rất nhanh và trận lụt lịch sử do mưa tháng 11/2008 đã để lại tổn thất nặng nề. - TP Huế năm nào cũng bị ngập bởi 3÷4 trận lụt do lũ thượng nguồn, ngập sâu nhất có nơi trên 4m. - Tại Đà Nẵng, mỗi khi có mưa lớn, thành phố lại có hơn 30 điểm bị ngập úng nặng. - Tại TP Hồ Chí Minh, ngập úng đang là vấn đề nan giải, với hàng chục điểm ngập sâu với thời gian khá dài. Hiện tượng ngập lụt ở do 3 yếu tố: lũ, triều cường và mưa lớn (minh họa Hình 1-1). - TP Cần Thơ cũng đang gặp phải vấn nạn ngập lụt, nhất là vào mùa nước nổi ở miền Tây Nam bộ. Nguyên nhân gây ngập lụt chủ yếu, gồm: 3 - Nguyên nhân khách quan: như cốt nền thấp, mưa lớn, triều cường, lũ thượng nguồn, đô thị hóa nhanh, hệ thống tiêu nước xuống cấp; - Nguyên nhân chủ quan: như quy hoạch phát triển giữa các ngành chưa đồng bộ, rừng đầu nguồn bị phá gây lũ lớn, tình trạng lấn chiếm kênh rạch. Hình 1-1: Những nguyên nhân tự nhiên gây ngập úng TP HCM Giải pháp tổng hợp chống ngập đô thị: Để chống ngập lụt tại các thành phố lớn một cách có hiệu quả cần một giải pháp đồng bộ, tầm quy hoạch mang tính chiến lược, đặc 4 biệt cần có sự đóng góp trí tuệ của các nhà khoa học và ý thức cộng đồng trong công tác phòng chống ngập úng. Theo quan điểm chiến lược tiêu nước đô thị tổng hợp, việc ứng dụng của mô hình toán nhằm: - Phân tích chi tiết nguyên nhân, ảnh hưởng và biện pháp khắc phục ngập úng đô thị; - Cung cấp thông tin để hiểu rõ hơn sự tác động của các nguồn nước đối với hoạt động, vận hành của hệ thống tiêu thoát nước; - Xây dựng kế hoạch tổng hợp phát triển hạ tầng và các công trình chống ngập; - Đánh giá hiện trạng và dự báo rủi ro úng ngập; - Lập kế hoạch ứng phó khẩn cấp; - Đánh giá tác động của hệ thống tiêu nước đối với hệ thống sông kênh; - Ứng phó biển đổi khí hậu và nước biển dâng. Các bộ mô hình thủy văn-thủy lực đô thị được phát triển để mô phỏng các loại đối tượng riêng biệt hoặc được tích hợp một số đối tượng như: - Tương tác cống ngầm-sông kênh hở; - Ngập lũ sông kênh-ô đồng, bãi tràn; - Tương tác dòng chảy mặt phố-cống ngầm-sông kênh hở; - Tương tác cống ngầm-tầng nước ngầm; - Tương tác cống ngầm-thủy triều. Trong đó bộ các mô hình dòng chảy mặt phố-cống ngầm-sông kênh hở được giới thiệu trong tài liệu hướng dẫn ứng dụng cho quản lý tiêu thoát nước tổng hợp. Nhìn chung, cách tiếp cận mô hình hóa hệ thống tiêu nước đô thị gồm: (i) Mô hình một chiều (1D) ứng dụng cho các hệ thống có dòng chảy 1 chiều trong lòng dẫn và (ii) Mô hình hai chiều (2D) ứng 5 dụng mô phỏng hệ thống có cả dòng chảy tràn theo hướng ngang. Hệ thống cống ngầm và sông kênh hở thường được mô phỏng dạng 1D. Dòng chảy tràn bề mặt phố có thể mô phỏng dạng 1D hay 2D. Trên thế giới đã phát triển nhiều công cụ mô hình như SWMM ở Mỹ, WASSP ở Anh, MOUSE và Mike Flood ở Đan Mạch, SOBEK Urban ở Hà Lan. Một số phần mềm được ứng dụng cho quy hoạch, thiết kế hệ thống tiêu nước TP Hồ Chí Minh. Ở Việt Nam có mô hình F28 tính toán hệ thống đường ống tiêu thoát nước đô thị đang được nghiên cứu phát triển và ứng dụng thử nghiệm. Các dự án, đề tài đã sử dụng riêng 2 mô hình toán là mô hình thủy lực sông kênh và mô hình cống ngầm đô thị nhằm giải quyết vấn đề tính toán tiêu thoát nước đô thị là một hạn chế lớn. Thực tiễn ở nước ta đòi hòi sự liên hợp được cả hai bài toán lớp ngoài (sông kênh) và lớp trong (hệ thống tiêu nước nội đô) thành mô hình tổng hợp. 1.2 MÔ HÌNH TOÁN TÍNH TIÊU NƯỚC ĐÔ THỊ a) Một số khái niệm: Ảnh hưởng của đô thị hóa tới chu trình thuỷ văn: Chu trình thuỷ văn được minh hoạ qua các bước chuyển biến dòng nước mưa từ khí quyển rơi xuống bề mặt đất và chảy ra sông biển qua các bước chảy trung gian. Ở khu vực đô thị hoá chu trình thuỷ văn bị điều chỉnh khá nhiều do hệ thống tiêu thoát nước, khu trữ và điều tiết nhân tạo; bề mặt đất bị bê tông hoá làm giảm lượng thấm xuống tầng nước ngầm. Tính chất thủy văn lưu vực đô thị: Lưu vực đô thị được phân định bởi điều kiện địa hình phân chia dòng chảy bề mặt và sự ảnh hưởng của địa vật tự nhiên hay do con người xây dựng như tuyến đường giao thông. 6 b) Mô hình thủy văn đô thị Các loại mô hình thủy văn đô thị: Một số phương pháp tính toán được áp dụng để tính toán mưa- dòng chảy ở đô thị, gồm: (i) Một số công thức kinh nghiệm thông dụng: - Phương pháp Căn nguyên (Rational) và phương pháp Biểu đồ đơn vị. (ii) Một số mô hình toán phổ biến: - Mô hình Mike-RR: gồm các môđun NAM, SMAP, FEH, DriFt, Urban-A, Urban-B. - Mô hình HEC-HMS. Nhận xét chung: Mô hình như Urban-B là thích hợp nhất để tính toán thuỷ văn đô thị ở TP Hồ Chí Minh với khá đầy đủ tài liệu. Trong trường hợp thiếu tài liệu về đặc trung lưu vực thì có thể sử dụng loại mô hình Urban-A. c) Mô hình thủy lực đô thị Dòng chảy trong đô thị: Chu trình dòng chảy mưa lũ tập trung xuống đường phố và chảy lan tràn theo các tuyến đường và tập trung vào miệng hố ga, chảy vào đường cống ngầm và tiêu ra hồ trữ hay sông kênh. Đường phố là các tuyến tiêu nước cấp bách, có khả năng chuyển nước và trữ nước tạm thời. Với mô hình tiêu thoát nước đô thị cần có các mô hình thành phần như mô hình thủy văn đô thị, mô hình đường ống, mô hình kênh sông và sự nối kết giữa các mô hình thành phần. Mô hình thủy lực SWMM: Mô hình SWMM tính toán đặc trưng dòng chảy trong hệ thống thoát nước đô thị và dòng chảy sông kênh trên cơ sở giải hệ phương trình Saint Venant cho dòng chảy 1 chiều không ổn định. 7 Phương pháp giải cho hệ đường ống được trình bày kỹ lưỡng trong tài liệu học thuật của mô hình. Một số công trình như trạm bơm và công trình cũng được mô tả trong SWMM. Mô hình đã được ứng dụng cho tính toán tiêu nước khu vực Tham Lương-Bến Cát ở TP Hồ Chí Minh. Mạng cống ngầm được mô phỏng nhưng tác giả không trình bày và phân tích diễn biến mực nước trong cống trong trường hợp mưa gây úng và chịu ảnh hưởng thuỷ triều tác động vào hệ thống cống. Nhóm mô hình thủy lực MIKE: Bộ mô hình MIKE có các môđun MOUSE, MIKE11 và MIKE21 có thể liên kết với nhau thành bộ MIKE URBAN (MOUSE-MIKE21) hay MIKE FLOOD (MIKE11-MIKE21 hay cả 3 môđun kết hợp). Một số kết quả nghiên cứu ứng dụng của mô hình Mike được công bố như: - Ứng dụng MIKE FLOOD tính toán ngập úng sông Nhuệ-Đáy Hà Nội. - Mô phỏng ngập úng đô thị Dhaka Bangladesh bằng MOUSE với mô hình hệ thống cống ngầm tiêu nước liên kết với tính toán dòng chảy bề mặt. Mô hình thủy lực F28: Trong phần mềm, các môđun tính toán các dòng chảy được phát triển là: mưa-dòng chảy trên mặt đất; dòng chảy trong cống và trên mặt đường. Mô hình được ứng dụng tính toán cho khu đô thị Thủ Thiêm và mô phỏng được hệ thống đường ống nối với mạng sông kênh và mô phỏng được hiện tượng úng ngập do mưa lớn. Mô hình thủy lực VRSAP: Mô hình thủy lực VRSAP đã áp dụng tính toán kiểm soát lũ và chống ngập úng cho nhiều khu vực ngoại thành và vùng ngập lũ châu 8 thổ. VRSAP là mô hình dòng chảy 1 chiều trong sông kênh thuần túy. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH DELTA-P NỐI GHÉP THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG VỚI THỦY LỰC SÔNG KÊNH Mô hình DELTA-P (mô hình thủy lực sông kênh DELTA có môđun thủy lực cống P) được ứng dụng trong nghiên cứu điển hình để tìm hiểu tính năng của mô hình cũng như xem xét học thuật của phần mềm. Đồng thời, sử dụng mô hình để phân tích một số giải pháp tổng hợp tiêu thoát nước vùng nghiên cứu điển hình nối với hệ thống sông lớn. Những trường hợp tính toán mô phỏng gồm: - Hoàn nguyên mô hình thuỷ lực DELTA-P và so sánh với bộ số liệu thực đo dòng chảy trên sông kênh và điều tra úng ngập vùng THLG. Mô hình thủy lực sông kênh bao trùm toàn bộ khu vực hạ lưu sông Đồng Nai-Sài Gòn từ hạ lưu hồ Dầu Tiếng, Trị An ra đến biển Đông, có khả năng mô phỏng tác động lũ thượng nguồn, ảnh hưởng triều biển Đông và khả năng điều tiết lũ của các vùng ngập lũ ven sông và các vùng đất trũng phía nam TP Hồ Chí Minh. - Mô hình thủy lực cống ngầm vùng THLG mô phỏng khả năng tiêu thoát nước mưa và tác động của thủy triều vào hệ thống cống ngầm. - Tính toán các trường hợp cải tạo nâng cấp cống ngầm và kênh THLG nhằm giảm ngập úng cục bộ (lớp trong). - Có khả năng tính trường hợp có công trình trên sông kênh ngăn triều (lớp ngoài) làm giảm mực nước trên sông kênh và tăng khả năng tiêu thoát nước của hệ thống cống ngầm vùng THLG. 2.1 MÔĐUN THỦY LỰC TRONG SÔNG KÊNH 9 Phần thuật toán thuỷ lực sông kênh của mô hình DELTA-P được phát triển với đủ cơ sở chặt chẽ cả về mặt toán và cơ học và được khẳng định qua các ứng dụng thực tế. Những đóng góp của nghiên cứu sinh cho nghiên cứu mới đây phát triển bổ sung được phần liên kết với cơ sở dữ liệu và GIS. 2.2 MÔĐUN THỦY LỰC DÕNG CHẢY TRONG ĐƯỜNG ỐNG Cống tiêu nước đô thị là dạng cống ngầm có dạng hình tròn hay chữ nhật và chiều dài cống khá lớn. Dòng chảy trong cống ngầm có các hình thức được mô phỏng như sau: - Khi dòng chảy đầy mặt cắt cống thì chế độ chảy là có áp; - Khi mực nước thượng lưu ngập miệng vào cống nhưng cửa ra vẫn thấp hơn đỉnh cống thì chế độ chảy một phần có áp và một phần không áp hay là nửa áp. - Mực nước trước cống và trong cống thấp hơn đỉnh cống thì chế độ chảy là không áp. Tùy theo độ sâu mực nước trong cống so với độ sâu phân giới để xác định chế độ chảy không ngập hay ngập. Hình 2-1: Sơ đồ khối các trường hợp tính ứng với các điều kiện dòng chảy trong cống 10 Trong các công thức Hình 2-1 luôn có Q là hàm số của cột áp hai đầu ống Q = f(H,h). Các hệ thức được vi phân và giải số trong DELTA-P. Minh họa các chế độ chảy như Hình 2-2. Tại các điểm thu nước, hoặc tại điểm xả từ đường ống ra kênh ta đều có các liên hệ tuyến tính giữa Q và mực nước cột áp tại hai đầu ống hoặc mực nước tại điểm nối với kênh và mực nước cột áp một đầu ống. Bằng cách khử các giá trị của Q tại các cửa nhận nước, hoặc tại điểm xả ra kênh, cuối cùng ta thu được một hệ phương trình đại số tuyến tính trong đó các ẩn là mực nước tại các hợp lưu kênh sông, mực nước cột áp tại các cửa thu nước và tại các cửa xả ra kênh. Thuật toán của DELTA-P sử dụng cùng nguyên lý ghép nối kênh- cống hoặc cống-cống. Sơ hoạ cách nối ghép mạng cống và mạng sông tại một điểm nút như Hình 2-3. Hình 2-2: Hình minh hoạ các trường hợp dòng chảy trong cống Tính mưa trong mô đun đường ống P như sau: Dòng chảy do mưa tập trung vào các cửa thu nước trên các đường phố đó. Tốc độ tiêu thoát phụ thuộc vào lưu lượng chảy vào các cửa thu mà lưu 11 lượng này lại phụ thuộc vào diện tích miệng thu, chiều rộng đường phố, độ chênh giữa cao trình ngập với cột áp từng cửa thu. Sự biến đổi của độ ngập Z sẽ theo phương trình: ,( ) ( , ) i i i i k i k k dZ F R t Q Z h dt (3-10) trong đó, Fi là diện tích mặt ô chứa, Ri (t) là lượng mưa, Qi,k (Zi, hk) là lưu lượng trao đổi giữa lưu vực thứ k tiêu vào miệng thu thứ i. Mực nước tại các hợp lưu và cửa thu như tính trong mô hình thuỷ lực thông thường nhưng bây giờ có thêm cao trình ngập trên các lưu vực Z nên khi không có mưa thì vẫn có biến đổi của Z như trường hợp ngập triều trong mạng ống với các vùng trũng. Hình 2-3: Các nhánh sông và cống ngầm tại nút hợp lưu sông I 12 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG DELTA-P MÔ PHỎNG SÔNG KÊNH TP HỒ CHÍ MINH VÀ CỐNG LƯU VỰC TÂN HOÁ-LÒ GỐM 3.1 TÌNH HÌNH NGẬP ÖNG Ở TP HỒ CHÍ MINH TP Hồ Chí Minh là thành phố lớn nhất Việt Nam với dân số năm 2013 là hơn 7,99 triệu người và diện tích tự nhiên 2.095 km². Địa hình: Một phần lớn diện tích có cao độ trung bình dưới 1,0m nằm giữa các kênh rạch chằng chịt trong lưu vực hạ lưu sông Đồng Nai. Khí hậu: Nhiệt độ trung bình hàng năm và độ ẩm cao. Trong năm có hai mùa: mùa khô và mùa mưa. Lượng mưa trung bình hàng năm là 1.915mm, mùa mưa chiếm 93% lương mưa năm. TP Hồ Chí Minh rất hiếm động đất và ảnh ít chịu ảnh hưởng bão. Thường xuyên bị ngập úng do mưa lớn và triều cường. Hệ thống sông kênh và chế độ thủy văn: Hầu hết các sông rạch TP Hồ Chí Minh đều chịu ảnh hưởng dao động bán nhật triều không đều của Biển Đông. Mực nước đỉnh triều cao khoảng 1,55-1,60m. Các sông lớn: gồm sông Đồng Nai, Sài Gòn chảy qua khu trung tâm thành phố và sông Vàm Cỏ, Lòng Tàu và Thị Vải ở khu vực ven biển. Kênh rạch khu vực nội thành: gồm các rạch Nhiêu Lộc - Thị Nghè, Tân Hóa - Lò Gốm, Tàu Hủ - Bến Nghé, Kênh Đôi - Kênh Tẻ, rạch Nước Lên - Rạch Bến Cát và rạch Cầu Sơn–Vàm Tắt. Khu vực ngoại thành: có nhiều kênh rạch khu vực nội thành mới (Thủ Đức), khu Nam thành phố và ven biển. Hệ thống cống thoát nước: hiện nay là hệ thống thoát nước chung tất cả các loại nước mưa, nước thải. Hệ thống tiêu thoát nước của thành phố được phân chia theo các cấp sau: Kênh cấp I: là hệ thống sông, kênh rạch. 13 Hệ thống cống cấp II,cấp III, cấp IV khoảng 1000 km Tình hình ngập lụt khu vực nội thành Thời kỳ năm 2007-2008 toàn thành phố (nội thành và vùng ven) có tổng diện tích ngập là 4.011 ha. Trong đó, ngập đất xây dựng 2861 ha, ngập đất nông nghiệp 1150 ha. Nhiều nơi ở trung tâm thành phố có độ sâu ngập đến 100cm và thời gian ngập đến 24 giờ. Từ năm 2008 đến nay tình trạng ngập úng của thành phố đã giảm đáng kể, giảm 2/3 số điểm ngập và giảm một nửa thời gian ngập và chiều dài mỗi điểm. Trong trường hợp mưa lớn kết hợp với triều cường thì khả năng ngập úng của thành phố vẫn rất nghiêm trọng. Tình hình ngập úng khu vực ngoại thành: Ngập úng ngoại thành xảy ra lớn khi tổ hợp của 3 yếu tố: mực nước triều cao, mưa đồng và lũ sông đều lớn. Diện tích bị ngập là 4.348 ha ở huyện Nhà Bè và Cần Giờ. Theo số liệu ước tính thiệt hại năm 1996 ở khu vực nông nghiệp, nông thôn khoảng 65 tỷ đồng và khu đô thị thiệt hại bình quân hàng năm là 371 tỉ đồng, năm cao nhất lên tới 500 tỉ đồng. Nguyên nhân: Khu vực nội thành: một số khu vực có cao trình thấp dưới 1,5m; mưa có cường suất cao nên nước tập trung quá nhanh; mực nước của các sông rạch cao do ảnh hưởng của triều cường biển Đông; công trình tiêu thoát nước không đủ năng lực. Khu vực ngoại thành: Cao độ mặt đất tự nhiên quá thấp dưới 1m; đê bao chưa đủ cao trình chống lũ hoặc đủ nhưng chưa khép kín; ảnh hưởng kết hợp của triều cường biển Đông và lũ của thượng nguồn sông Đồng Nai, sông Sài Gòn đổ về. 14 Hướng giải quyết úng ngập: Nhiệm vụ quy hoạch tiêu thoát nước TP Hồ Chí Minh phải giải quyết các vấn đề cơ bản sau đây: Khu vực nội thành: cần tạo ra một hệ thống công trình thông suốt từ các hộ gia đình đến các khung trục tiêu, bảo đảm mưa đến bao nhiêu tiêu hết bấy nhiêu. Đối với khu vực ngoại thành: cần phải bảo đảm việc tiêu thoát nước theo yêu cầu sản xuất nông nghiệp; xây dựng đê bao khép kín. Các dự án chống ngập úng Tp Hồ Chí Minh Những nghiên cứu có 2 loại chủ yếu là quy hoạch tổng thể và dự án giải quyết vấn đề cục bộ ở lưu vực tiêu nước cụ thể, gồm : - Quy hoạch tổng thể và Nghiên cứu khả thi hệ thống thoát nước đô thị và nước thải TP Hồ Chí Minh đến năm 2020. - Quy hoạch hệ thống thủy lợi chống ngập TP Hồ Chí Minh. - Đề tài khoa học cấp nhà nước Nghiên cứu đề xuất các giải pháp chống ngập TP Hồ Chí Minh. - Dự án tiền khả thi cải thiện môi trường Kênh Tàu Hủ-Bến Nghé và Kênh Đôi-Kênh Tẻ. - Dự án cải thiện vệ sinh và nâng cấp đô thị kênh Tân Hóa-Lò Gốm. - Dự án cải thiện môi trường kênh Hàng Bàng. 3.2 MÔ HÌNH THỦY LỰC SÔNG KÊNH Sơ đồ toán DELTA-P áp dụng cho hệ thống sông hạ lưu Đồng Nai-Sài Gòn được trình bày cùng với các điều kiện số liệu địa hình, thủy văn và điều kiện biên. Mô hình được hoàn nguyên theo số liệu thực đo mực nước thời kỳ lũ tháng 10/2005 (ví dụ trạm Phú An như Hình 3-1). Ưu điểm của DELTA-P là tốc độ tính toán khá nhanh, thuận lợi khi ứng dụng mô hình vào các bài toán lớn, phổ biến rộng rãi. 15 Hình 3-1: Mực nước thực đo và mô phỏng tại Phú An tháng 10-2005 3.3 MÔ HÌNH THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG (1) Phạm vi nghiên cứu và hệ thống kênh, cống trong vùng Hệ thống tiêu thoát nước Tân Hoá-Lò Gốm (THLG) là một trong năm hệ thống tiêu thoát nước khu trung tâm TP Hồ Chí Minh, với diện tích lưu vực khoảng 2.500 ha. Khung trục chính THLG với chiều dài khoảng 7.600m. Hệ thống cống thoát nước bố trí theo các trục đường phố và đổ vào kênh THLG trên dọc tuyến, kích cỡ đường kính cống đa số trong khoảng 600-1.000 mm. (2) Nguyên nhân, tồn tại và những giải pháp chống ngập úng lưu vực THLG Ngập lụt xảy ra đối với vùng THLG do nhiều nguyên nhân như mưa lớn, hệ thống cống chưa đủ năng lực, kênh trục bị lấn chiếm, bồi lấp, khu vực cửa rạch trũng thấp. Biện pháp chống ngập được các chuyên gia đề xuất gồm: - Nạo vét kênh THLG để tăng lưu lượng thoát nước; - Xây dựng các đoạn cống thoát nước mới bên cạnh các đoạn cống thoát nước quá tải để tăng khả năng tiêu thoát. 16 (3) Tài liệu địa hình Hệ thống THLG có tài liệu khảo sát mặt cắt kênh và bình đồ tuyến đường ống thoát nước cũng như kích thước các ống. (4) Tình hình ngập úng lưu vực Tân Hoá-Lò Gốm Có 11 khu trong lưu vực THLG bị ngập lụt với tổng diện tích ngập lụt là 58,8 ha (vị trí khu ngập Hình 3-2). Thời gian ngập trung bình dưới 10 giờ và độ sâu ngập thường khoảng 25-30cm. (5) Mô phỏng các phương án tiêu thoát nước Điều kiện biên và trạm kiểm định của mô hình thuỷ lực sông kênh hạ lưu ĐN-SG gồm mực nước trạm Vũng Tàu, Nhà Bè, Phú An, lưu lượng sau hồ Dầu Tiếng, Trị An và trạm Phước Hoà. Số liệu mưa trạm Tân Sơn Nhất. Thiếu số liệu đo mực nước và lưu lượng dòng chảy trên kênh THLG. (6) Mô hình mạng đường ống Mô hình thuỷ lực đường ống bao gồm 106 đoạn, xác định bằng liên kết các nút, có hướng dòng chảy, có thông số kích thước cống và cao trình cống. (7) Điều kiện mưa và dòng chảy do mưa Ứng dụng nghiên cứu mô phỏng hệ thống tiêu thoát nước với trận mưa 120 phút tần suất 10% theo số liệu trạm Tân Sơn Nhất. (8) Mô phỏng hiện trạng úng ngập tháng 10/2005 Mô hình tính cho thời gian từ ngày 01/10/2005 đến ngày 16/10/2005. Trong thời gian này diễn biến thuỷ triều nửa chu kỳ từ triều kém đến triều cường. Lượng mưa gia nhập trong khoảng từ 3 giờ đến 6 giờ ngày 01/10/2005 tức vào lũ triều kém. Mô hình tính được độ ngập và thời gian ngập do mưa và do triều (Hình 3-3). 17 Hình 3-2: Bản đồ vị trí các khu ngập lưu vực THLG theo điều tra Theo bình đồ lưu vực thì lưu vực có độ dốc từ thượng xuống hạ lưu tạo điều kiện tiêu thoát tốt. Tuy nhiên, khu vực thượng lưu thuộc quận Tân Phú (nút 232) và khu vực Bình Thới quận 11 (nút 237, 238) bị ngập do mưa dù cao trình mặt đất trên 3 m. Khu vực cửa THLG bị ngập do cả mưa và triều vì cao trình đất thấp hơn 1 m. Bản đồ Hình 3-4 trình bày mô phỏng mức độ ngập hiện trạng. Khu vực có ngập sâu do mưa là khu Bình Thới quận 11 có độ sâu ngập do mưa khoảng 40 cm và khu Phú Lâm quận 6 có độ ngập khoảng 30 cm. Thời gian ngập sâu khoảng gần 1 giờ. 18 Hình 3-3: Biểu đồ mực nước ngập đường phố và triều trên kênh Tính toán cũng cho thấy rằng ngập triều thường xuyên xảy ra ở khu vực Chợ Lớn Quận 6 với độ ngập khoảng 20-30 cm và thời gian ngập từ vài giờ đến khoảng 20 giờ cộng dồn trong nửa tháng tính toán. Với kết quả tính toán như vậy đối chiếu với bản đồ ngập thường xuyên thấy rằng vùng ngập do triều ở khu vực Chợ Lớn Quận 6 là hợp lý. Vùng ngập do mưa tính toán cũng như điều tra thấy úng ngập toàn lưu vực. Độ sâu ngập tính do mưa toán được ở khu vực Quận 11 có độ ngập sâu nhất cũng hợp lý với số liệu điều tra. Thời gian ngập do mưa trong khoảng 1-2 giờ cũng phản ánh được thực tế. 19 Hình 3-4: Bản đồ ngập hiện trạng trận mưa tháng 10-2005 (9) Mô phỏng phương án 1 (PA1)(mở rộng, nạo vét kênh THLG) Phương án nạo vét và mở rộng kênh THLG từ tình trạng hẹp và nông ở thượng nguồn hiện nay (kênh rộng 10-20m, cao trình đáy +1,5m) thành kênh rộng hơn và sâu (rộng đều 30m, cao trình đáy -2,5m). Phía hạ lưu rạch khá rộng và sâu nên không thay đổi mặt cắt. Theo tính toán mực nước Hmax do mưa gây ra tại đoạn thượng lưu kênh THLG giảm khoảng 1m (từ 2,3m xuống 1,3m). Mực nước đoạn hạ lưu kênh THLG thay đổi không đáng kể khoảng 0,1-0,2m. 20 Hình 3-5: Bản đồ phân bố ngập lưu vực THLG PA1 Mực nước ngập úng khu vực ven kênh đoạn thượng lưu giảm khoảng 7-8cm. Một số điểm ven kênh hạ lưu cũng giảm khoảng 7-10 cm. Tuy nhiên, một số vị trí có cao trình thấp ven cửa rạch THLG (như tại nút 248 và nút 249) lại gia tăng mức ngập thêm 10cm do dòng chảy đầu nguồn xuống nhanh kết hợp thuỷ triều truyền vào mạnh hơn. Bản đồ trình bày mức độ ngập theo PA1 trong Hình 3-5. (10) Mô phỏng phương án 2 (PA2) (mở rộng, nạo vét kênh và nâng cấp đường ống tiêu thoát nước) Đồng thời với việc nạo vét và mở rộng kênh THLG như PA1 là 21 việc bổ sung và nâng cấp đường ống ở khu vực ngập úng. Một số cống hiện trạng được tăng thêm 0,5-1,0 m2 diện tích mặt cắt. Một số vị trí được bổ sung thêm ống để tăng khả năng thoát nước mưa. Hình 3-6: Bản đồ phân bố ngập lưu vực THLG PA2 Kết quả tính toán cho thấy ở khu vực thượng lưu của lưu vực THLG độ ngập giảm rõ rệt, mức ngập từ khoảng 30-40 cm đã giảm xuống dưới 20 cm. Tuy nhiên, ở khu vực Q11 và Q6 việc nâng cấp và bổ sung cống không cho kết quả giảm ngập đáng kể. Nguyên nhân do khu vực Q11 khá xa kênh trục và khu vực Q6 có cao trình mặt đất khá thấp và ảnh hưởng triều. Để giảm ngập khu vực này nhất thiết phải kết hợp với 22 các phương án cống lớn ngăn triều khu vực Nam thành phố nhằm giảm mực nước triều trên kênh Đôi và kênh THLG. Bản đồ trình bày mức độ ngập theo PA2 trong Hình 3-6. Nhận xét ứng dụng DELTA-P: Mô hình mô phỏng diễn biến mực nước trên hệ thống kênh rất tốt do sử dụng mô đun thuỷ lực sông kênh đã được kiểm định. Mô hình mô đun cống có ưu điểm thuận tiện lập sơ đồ, xử lý số liệu và tốc độ tính toán nhanh. Kết quả mô phỏng hiện trạng ở lưc vực THLG đã phản ánh được sự ảnh hưởng triều vào đường ống gây ngập úng hợp lý so với số liệu điều tra. Kết quả tính toán diễn biến ngập có xu thế hợp lý theo các phương án cải tạo cống ngầm. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: (1) Mô hình toán thủy lực sông kênh và cống ngầm đô thị có vai trò quan trọng, hiệu quả đối với kỹ thuật tiêu thoát nước chống ngập các đô thị, đặc biệt là vùng có hệ thống cống và kênh phức tạp và bị tác động của tổ hợp các yếu tố biên như mưa, lũ và triều cường. (2) Cả trong và ngoài nước đã có sự phát triển mạnh mẽ các phần mềm ứng dụng riêng cho mô phỏng thuỷ lực sông kênh tự nhiên (như Mike11, ISIS, VRSAP, SAL/DELTA, KOD, HYDRO- GIS, MK4) và mô phỏng cống ngầm (như MOUSE, SWMM). Tuy nhiên, thực tế giải quyết bài toán chống ngập úng đô thị thường ngập do mưa lớn và ảnh hưởng triều và lũ rất phức tạp đòi hòi giải pháp đồng bộ giữa công trình vòng ngoài và hệ thống cống ngầm tiêu nước. Do đó, sự nối ghép các mô hình thuỷ lực sông kênh và cống ngầm đang được quan tâm phát triển như sự tích hợp mô hình thương mại Mike11-MOUSE trên thế giới cùng các mô hình F28 và DELTA-P đang được nghiên cứu phát triển trong nước nhằm chủ 23 động về công nghệ. (3) Mô hình DELTA-P phát triển mới môđun P tính toán hệ thống cống ngầm đô thị nối ghép với mô hình thủy lực sông kênh DELTA (tiền thân là mô hình SAL) có thuật toán mạnh giải được hệ thống lớn với tốc độ tính toán nhanh là một công cụ mô hình thích hợp cho tính toán hệ thống công trình tổng hợp tiêu thoát nước đô thị vùng ảnh hưởng triều. (4) Mô hình DELTA-P được thử nghiệm ứng dụng cho hệ thống sông kênh vùng hạ lưu sông Đồng Nai-Sài Gòn với kết quả kiểm nghiệm mực nước rất tốt và hệ thống cống ngầm thuộc lưu vực kênh Tân Hóa-Lò Gốm thuộc TP Hồ Chí Minh có số liệu đầy đủ về tài liệu địa hình bề mặt lưu vực, mặt cắt kênh, kích thước và tuyến cống và số liệu điều tra vùng ngập úng đô thị. (5) Kết quả tính toán ngập úng do trận mưa lớn tần suất 10% cho thấy các vùng ngập và độ sâu ngập phù hợp với số liệu điều tra. Thời gian tính toán mô phỏng tương đối dài trong khoảng 15 ngày cho thấy hiện tượng ngập úng do mưa kết hợp với triều (ngày 01/10), ngập do triều cường (ngày 04-08/10) và ngày triều kém không gây ngập úng (ngày 09-12/10). (6) Phương án tính toán nạo vét kênh Tân Hóa-Lò Gốm nhằm tăng khả năng tiêu nước của kênh làm giảm mực nước đầu nguồn kênh Tân Hóa-Lò Gốm, làm giảm mức độ ngập úng cho một số vùng phía thượng lưu do cống tiêu thoát tốt hơn. Phương án này vẫn chưa cho kết quả giảm ngập úng do mưa vì cống vẫn tiêu nước kém, vùng ngập triều có xu thế gia tăng vì thủy triều thâm nhập vào vùng cửa rạch Tân Hóa-Lò Gốm tốt hơn. (7) Phương án cải tạo kênh và nâng cấp hệ thống cống thoát nước (mở rộng đường kính ống, hạ thấp miệng cống, thêm cống) cho thấy đã giải quyết được vấn đề ngập úng do mưa khu vực thượng nguồn. Vùng hạ lưu vùng Tân Hóa-Lò Gốm do ảnh hưởng triều nên vẫn còn úng ngập. (8) Kết quả ứng dụng mô hình DELTA-P để hoàn nguyên và mô 24 phỏng phương án tiêu nước đô thị khu vực Tân Hóa-Lò Gốm đã cho kết quả hợp lý và thể hiện tính ưu việt của mô hình trong tính toán nghiên cứu tiêu thoát nước đô thị khu vực TP Hồ Chí Minh nói riêng và đô thị vùng triều nói chung. (9) Để giải quyết ngập úng triệt để vùng Tân Hóa-Lò Gốm cần có biện pháp kiểm soát triều trên sông kênh như phương án chống ngập vòng trong do Bộ NN&PTNT đang thực hiện là hoàn toàn thực hiện được bằng mô hình DELTA-P. Kiến nghị: Trong quá trình thực hiện luận án, nghiên cứu sinh đề xuất tiếp tục những nội dung nghiên cứu như sau: (1) Mô hình DELTA-P cần tiếp tục hoàn thiện tính năng quản lý cơ sở dữ liệu địa hình theo nhánh và thêm hoặc bớt một hoặc vài nhánh sông mà không đảo lộn hệ thống nhánh sông trong sơ đồ. Các công trình đặc biệt và có quy trình vận hành phức tạp cần được bổ sung vào mô hình. Giao diện mô hình cần tiếp tục hoàn thiện và biên soạn tài liệu hướng dẫn sử dụng mô hình, phổ biến rộng rãi. (2) Về nguyên tắc kết nối trực tiếp của cống ngầm vào nút sông kênh và nguyên tắc cân bằng mực nước tại nút có khả năng xảy ra trường hợp mực nước kênh thấp hơn đáy cống. Trong trường hợp đó lưu lượng qua cống theo tính toán sẽ nhỏ thực tế và việc nối kết từ cống ra kênh cần được kiểm nghiệm thêm hoặc có thể thay bằng kết cấu dòng qua công trình mà DELTA-P có thể giải quyết được. (3) Vùng nghiên cứu điển hình Tân Hóa-Lò Gốm cần có tài liệu đo đạc mực nước, lưu lượng dòng chảy trong kênh để làm tài liệu kiểm nghiệm mô hình tốt hơn. (4) Tính toán các phương án chống ngập khu vực Tân Hóa-Lò Gốm với 2 phương án cục bộ chưa giải quyết được vấn đề úng ngập trong lưu vực. Cần ứng dụng tính toán kết hợp với các giải pháp chống ngập ở phạm vi rộng như hệ thống đê, cống chống ngập theo quyết định 1547/QĐ-TTg để xem xét hiệu quả của giải pháp tổng thể chống ngập úng đối với khu vực Tân Hóa-Lò Gốm. 25 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ TT Tên công trình (Bài báo, công trình) Là tác giả hay đồng tác giả Nơi công bố (Tên tạp chí đã đăng công trình) Năm công bố 1 Một phương pháp tính tiêu nước hệ thống cống ngầm thành phố Hồ Chí Minh Đồng tác giả Tuyển tập công trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy Khí toàn quốc năm 2010 2011 2 Ứng dụng thuật toán và tích hợp GIS để nâng cao hiệu quả giải bài toán thủy lực và chất lượng nước sông kênh Đồng tác giả Tạp chí Khoa học Nông nghiệp và PTNT số 2+3/2011 2011 3 Đề xuất các giải pháp quản lý xây dựng đê bao và đường giao thông nhằm giảm thiểu tác hại lũ xuyên biên giới Việt Nam- Campuchia Tác giả Tuyển tập báo cáo hội nghị tổng kết Chương trình KHCN trọng điểm cấp Nhà nước mã số KC.08/06-10. 2011 4 Comparision of two hydrological model simulations using NAM and XINANJIANG for Nong Son catchment Đồng tác giả Vietnam Journal of Mechanics, VAST, Vol.30, No.1 2008 5 Potential evapo- transpiration estimation and its effect on hydrological model response Đồng tác giả Vietnam Journal of Mechanics, VAST, Vol.30, No.1 2008 6 Mô hình thủy động lực học mô phỏng chất lượng nước vùng hạ lưu sông Đồng Nai-SG Tác giả Tạp chí Khoa học Nông nghiệp và PTNT số tháng 8/2002 2002