Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của các tham số trong mô hình swmm đến kết quả tí...

Tài liệu Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của các tham số trong mô hình swmm đến kết quả tính toán mô phỏng hệ thống thoát nước

.PDF
161
286
126

Mô tả:

MỤC LỤC MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI .........................................................................1 2. MỤC ĐÍCH VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .........................................................2 3. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................2 4. KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƢỢC ......................................................................3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THOÁT NƢỚC ĐÔ THỊ ............................................................................................4 1.1Tổng quan về các mô hình mô phỏng hệ thống thoát nƣớc đô thị trên thế giới ....4 1.2Tổng quan các mô hình mô phỏng hệ thống thoát nƣớc đô thị ở Việt Nam. ......11 CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SWMM .....................................................13 2.1 Giới thiệu chung .................................................................................................13 2.2 Các tính năng của mô hình .................................................................................13 2.3 Cơ sở lý thuyết ....................................................................................................16 2.3.1 Tính toán lượng mưa hiệu quả. ........................................................................18 2.3.2 Tính toán thấm, lượng thấm:............................................................................19 2.3.3 Mô hình hồ chứa phi tuyến (SWMM):..............................................................21 CHƢƠNG 3: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THAM SỐ CHÍNH TRONG MÔ HÌNH SWMM ĐẾN KẾT QUẢ TÍNH TOÁN .................................................36 3.1Tổng quan về lƣu vực nghiên cứu ứng dụng .......................................................36 3.1.1 Điều kiện tự nhiên ...........................................................................................36 3.1.2 Điều kiện kinh tế xã hội ...................................................................................43 3.1.3 Phương hướng phát triển kinh tế, xã hội trong vùng ......................................44 3.2 Lập mô hình tính toán hệ thống thoát nƣớc quận Thanh Xuân – Hà Nội ........50 3.2.1 Dữ liệu đầu vào ................................................................................................50 3.2.2 Xây dựng mô hình SWMM ..............................................................................52 3.2.3 Mô phỏng hiện trạng hệ thống bằng SWMM ..................................................55 3.3 Chọn các tham số chính để phân tích ................................................................56 3.4 Tính toán mƣa thiết kế .......................................................................................57 3.4.1 Xây dựng đường quan hệ DDF ........................................................................57 3.4.2 Xây dựng mô hình mưa thiết kế........................................................................58 3.5 Đánh giá ảnh hƣởng của các tham số chính đến lƣu lƣợng đỉnh tính toán của lƣu vực .......................................................................................................................60 3.5.1 Các bước thực hiện .........................................................................................60 3.5.2 Mô phỏng mưa dòng chảy sử dụng SWMM với từng trường hợp ..................61 3.6 Phân tích kết quả ................................................................................................66 3.6.1 Biểu đồ quan hệ giữa % Slope & %Lưu lượng ................................................66 3.6.2 Biểu đồ quan hệ giữa % Imperv & %Lưu lượng .............................................67 3.6.3 Biểu đồ quan hệ giữa N-Imperv & %Lưu lượng ..............................................68 3.6.4 Biểu đồ quan hệ giữa Dstore-Imperv & %Lưu lượng .....................................68 3.6.5 Biểu đồ quan hệ giữa %Zezo-Imperv & %Lưu lượng .....................................70 3.6.5 Biểu đồ quan hệ giữa %Zezo-Imperv & %Lưu lượng .....................................70 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... Phụ lục 1: Thống kê diện tích các tuyến cống .............................................................. Phụ lục 2: Tính toán thủy lực các tuyến cống............................................................... Phụ lục 3: Kích thƣớc các tuyến cống .......................................................................... Phụ lục 4: Kết quả mô phỏng bằng mô hình SWMM .................................................. Phụ lục 5: Thay đổi độ dốc ........................................................................................... Phụ lục 6: Thay đổi phần trăm diện tích không thấm nƣớc .......................................... Phụ lục 7: Thay đổi hệ số nhám Manning n ................................................................. Phụ lục 8: Thay đổi chiều sâu của vùng trũng trữ nƣớc .............................................. Phụ lục 9: Thay đổi phần trăm diện tích không thấm không trữ đƣợc nƣớc ................ Phụ lục 10: Thay đổi hệ số nhám của cống lần lƣợt 0,011 => 0,015 ........................... DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 5: Khai báo các ký hiệu cho từng đối tƣợng Hình 6: Khai báo các giá trị mặc định cho tiểu lƣu vực Hình 7: Khai báo các giá trị mặc định cho nút, đƣờng dẫn. Hình 8: Khai báo các giá trị mặc định cho Map Option Hình 9: Trình tự vẽ sơ đồ lƣc vực Hình 10: Sơ đồ mô phỏng mạng lƣới thoát nƣớc trong mô hình SWMM Hình 11: Giao diện nhập số liệu cho lƣu vực Hình 13: Chuỗi thời gian mƣa Hình 14: Đƣờng đặc tính của trận mƣa Hình 15: Sơ đồ chôn cống Hình 16: Giao diện nhập dữ liệu cho nút thu nƣớc Hình 17: Giao diện nhập giá trị lƣu lƣợng cho nút Hình 18: Giao diện nhập dữ liệu cho cống Hình 19: Sơ đồ tổng quát diễn toán dòng chảy qua hồ chứa Hình 20: Mối quan hệ giữa chiều sâu và diện tích của hồ - Đƣờng đặc tính của hồ Hình 21: Giao diện nhập dữ liệu cho hồ Hình 22: Giao diện nhập dữ liệu của cửa xả Hình 3.1: Bản đồ hệ thống thoát nƣớc quận Thanh Xuân lƣu vực sông Tô Lịch Hình 3.1: Khai báo các thông số mặc định trong SWMM Hình 3.2: Các thông số cơ bản trong SWMM Hình 3.3: Mô phỏng lƣu vực thoát nƣớc bằng phần mềm SWMM DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2: Diện tích các lƣu vực ...................................................................................... Bảng 3.1: Nhiệt độ trung bình tháng tại Hà Nội (0C) .................................................. Bảng 3.2: Độ ẩm tƣơng đối trung bình tháng tại Hà Nội (%) ...................................... Bảng 3.3: Lƣợng mƣa 1, 3, 5, 7 ngày max ứng với tần suất P = 5% và 10% .............. Bảng 3.4: Phân phối trận mƣa 3 ngày max ứng với tần suất P = 10% ........................ Bảng 3.5: Lƣợng mƣa 72 giờ tại trạm Láng (mm) ....................................................... Bảng 3.6: Lƣợng mƣa 3 ngày của trận mƣa đặc biệt lớn năm 2008 (mm) .................. Bảng 3.7: Lƣợng bốc hơi trung bình tháng tại Hà Nội (mm) ...................................... Bảng 3.8: Các mực nƣớc sông Hồng tại trạm Hà Nội ứng với các tần suất tính toán (liệt số liệu 1970-2008) ................................................................................................ Bảng 3.9: Mực nƣớc thấp nhất sông Hồng tại Hà Nội (cm) ........................................ Bảng 3.11: Tình hình dân cƣ vùng nghiên cứu ............................................................ Bảng 3.12: Thống kê các tuyến cống hiện trạng .......................................................... Bảng 3.13: Thống kê lƣợng mƣa tại trạm Láng ........................................................... Bảng 3.14: Thống kê diện tích các tiểu khu ................................................................. 1 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Mô hình toán SWMM (Storm Water Management Model) là mô hình động lực học mô phỏng mƣa – dòng chảy cho các khu vực đô thị về cả chất và lƣợng, và tính toán quá trình chảy tràn từ mỗi lƣu vực bộ phận đến cửa nhận nƣớc của nó. Mô hình có thể mô phỏng cho từng trận mƣa đơn lẻ vừa có thể mô phỏng liên tục. Mô hình này do Metcalf và Eddy xây dựng năm 1971. Khi mới ra đời mô hình chạy trên môi trƣờng DOS. Mô hình liên tục đƣợc truy cập nhập và phiên bản mới nhất là SWMM 5.1 chạy trên môi trƣờng WINDOW. Mô hình quản lý nƣớc mƣa SWMM là một mô hình toán học toàn diện, dùng để mô phỏng khối lƣợng và tính chất dòng chảy đô thị do mƣa và hệ thống cống thoát nƣớc thải chung. Mọi vấn đề về thủy văn đô thị và chu kỳ chất lƣợng đều đƣợc mô phỏng, bao gồm dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm, vận chuyển qua mạng lƣới hệ thống tiêu thoát nƣớc, hồ chứa và khu xử lý. Mô hình SWMM mô phỏng các dạng mƣa thực tế trên cơ sở lƣợng mƣa (biểu đồ quá trình mƣa hàng năm ) và các số liệu khí tƣợng đầu vào khác cùng với hệ thống mô tả (lƣu vực, vận chuyển, hồ chứa/ xử lý) để dự đoán các trị số chất lƣợng dòng chảy. Những ứng dụng điển hình của SWMM: - Quy hoạch hệ thống thoát nƣớc mƣa. - Quy hoạch ngăn tràn cống chung. - Quy hoạch hệ thống thoát nƣớc lũ ở kênh hở. - Quy hoạch cống ngăn lũ. - Quy hoạch hồ chứa phòng lũ. Trong mô hình SWMM ngƣời sử dụng phải nhập rất nhiều tham số của tiểu lƣu vực (subcatchment) nhƣ độ dốc trung bình, tỷ lệ diện tích không thấm, hệ số nhám Manning của phần không thấm & vùng thấm,lƣợng nƣớc trữ lại trên vùng không thấm, lƣợng nƣớc trữ lại trên vùng thấm …Ngƣời sử dụng rất khó khăn trong việc 2 xác định chính xác các tham số này do thiếu số liệu về địa hình, địa chất, sử dụng đất… dẫn đến kết quả tính toán khó đƣợc chính xác. Hơn nữa việc thiếu số liệu đo đạc dòng chảy trong lƣu vực đô thị dẫn đến không thể điều chỉnh bộ tham số của mô hình SWMM. Để đánh giá ảnh hƣởng của các tham số này đến kết quả tính toán, từ đó kiến nghị cho ngƣời sử dụng mô hình toán SWMM nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả thì việc nghiên cứu đề tài này là cần thiết. 2. MỤC ĐÍCH VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1. Mục đích nghiên cứu: - Đánh giá ảnh hƣởng của các tham số chính của mô hình SWMM (độ nhạy của các tham số đối với bài toán ) trên cơ sở ứng dụng mô hình để mô phỏng cho hệ thống thoát nƣớc Thanh Xuân - Hà Nội. - Đề xuất một số kiến nghị cho việc lựa chọn các tham số của mô hình SWMM. 2. Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu một số tham số chính của lƣu vực thoát nƣớc và hệ số nhám của cống. - Nghiên cứu điển hình cho hệ thống thoát nƣớc quận Thanh Xuân lƣu vực sông Tô Lịch – Hà Nội. 3. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Cách tiếp cận: - Tiếp cận thực tế: đi khảo sát, nghiên cứu, thu thập các số liệu của hệ thống thoát nƣớc. - Tiếp cận mô hình toán: Tiếp cận, tìm hiểu, phân tích mô hình toán SWMM từ tổng thể đến chi tiết, đầy đủ và hệ thống. - Tiếp cận các phƣơng pháp nghiên cứu mới về thoát nƣớc đô thị trên thế giới. 2. Phương pháp nghiên cứu: - Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết của mô hình SWMM. - Phƣơng pháp cách sử dụng mô hình và ứng dụng mô hình SWMM. 3 - Phƣơng pháp phân tích, thống kê. - Phƣơng pháp điều tra, khảo sát thực địa. - Phƣơng pháp kế thừa. - Phƣơng pháp mô hình thủy văn, thủy lực. 4. KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƢỢC - Đánh giá sự ảnh hƣởng của các tham số chính trong mô hình SWMM. - Đề xuất một số kiến nghị cho việc lựa chọn tham số của mô hình SWMM. 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THOÁT NƢỚC ĐÔ THỊ 1.1Tổng quan về các mô hình mô phỏng hệ thống thoát nƣớc đô thị trên thế giới Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin cũng nhƣ khoa học kỹ thuật nói chung, các mô hình toán ứng dụng cũng ngày càng đƣợc phát triển nhiều hơn. Các mô hình toán với các ƣu điểm nhƣ cho kết quả tính toán nhanh, giá thành rẻ, dễ dàng thay đổi các kịch bản bài toán,vv... đang trở thành là một công cụ mạnh, phục vụ đắc lực trong nhiều lĩnh vực, trong đó có lĩnh vực quản lý tài nguyên và môi trƣờng. Lựa chọn mô hình là khâu đầu tiên rất quan trọng trong phƣơng pháp mô hình toán, nó phụ thuộc vào yêu cầu công việc, điều kiện về tài liệu cũng nhƣ tiềm năng tài chính và nguồn nhân lực sẵn có. Trên thế giới hiện nay có rất nhiều mô hình toán đang đƣợc sử dụng. Dƣới đây là một số mô hình mô phỏng hệ thống thoát nƣớc điển hình. - Mô hình WENDY: do Viện thủy lực Hà Lan (DELFT) xây dựng cho phép tính thủy lực dòng chảy hở, xói lan truyền, chuyển tải phù sa và xâm nhập mặn. - Mô hình HEC-RAS: do Trung tâm Thủy văn kỹ thuật quân đội Hoa Kỳ xây dựng đƣợc áp dụng để tính toán thủy lực cho hệ thống sông. Phiên bản mới hiện nay đã đƣợc bổ sung thêm modul tính vận chuyển bùn cát và tải khuếch tán. Mô hình HEC-RAS đƣợc xây dựng để tính toán dòng chảy trong hệ thống sông có sự tƣơng tác 2 chiều giữa dòng chảy trong sông và dòng chảy vùng đồng bằng lũ. Khi mực nƣớc trong sông dâng cao, nƣớc sẽ tràn qua bãi gây ngập vùng đồng bằng, khi mực nƣớc trong sông hạ thấp nƣớc sẽ chảy lại vào trong sông. - Bộ mô hình SOBEK: Deltares đã xây dựng một bộ mô hình SOBEK tích hợp sẵn khả năng mô phỏng tổng thể hệ thống Tài nguyên nƣớc. Là công cụ để tính toán dự báo lũ, tối ƣu hóa hệ thống thoát nƣớc, điều khiển hệ thống dẫn nƣớc, thiết kế cống thoát nƣớc, mô phỏng hình thái sông, mô phỏng xâm nhập mặn và chất lƣợng nƣớc mặt. Từ việc tính toán dòng chảy cho một lƣu vực tự nhiên, cũng nhƣ 5 nghiên cứu các bài toán thủy động lực học 1D/2D. Bên cạnh đó SOBEK là công cụ lý tƣởng để nghiên cứu các bài toán vỡ đập, vỡ đê, sự ngập lụt trong đô thị... Sự khác biệt của bộ mô hình SOBEK là có khả năng cho phép mô phỏng hệ thống theo thời gian thực (Real Time Control - RTC) dựa các các số liệu, đo đạc quan trắc trên hệ thống và đƣợc cập liên tục giúp quản lý, giám sát vận hành các công trình khai thác hệ thống Tài nguyên nƣớc một cách tốt nhất. Ví dụ nhƣ điều khiển vận hành hệ thống công trình điều tiết lũ, ngăn triều kiểm soát ngập lụt; hoặc lên phƣơng án cấp nƣớc cho một hệ thống công trình khai thác Tài nguyên nƣớc hoặc giám sát chất lƣợng nƣớc cho một hệ thống để có phƣơng án vận hành từ xa. Bộ mô hình SOBEK đã đƣợc áp dụng phổ biến ở các nƣớc trên thế giới đề giải quyết các bài toán Tính toán, dự báo Tài nguyên nƣớc; Quản lý chất lƣợng nƣớc; Quản lý lũ lụt hạn hán; Vận hành hệ thống cho cả lƣu vực tự nhiên và lƣu vực đô thị. Do vậy mô hình SOBEK là một công cụ hữu ích nhằm đƣa ra các giải pháp quản lý và phát triển tài nguyên nƣớc mang tính tổng thể. Bộ mô hình MUSIC đƣợc phát triển bởi trung tâm eWater, Úc là bộ phần mềm hỗ trợ ra quyết định phục vụ cho công tác quản lý nƣớc mƣa tại khu vực đô thị. Phần mềm giúp ngƣời sử dụng xây dựng và mô phỏng hệ thống quản lý nƣớc mƣa hiệu quả cho các khu đô thị. MUSIC cung cấp khả năng tính toán dòng chảy và sự lan truyền ô nhiễm sinh ra từ nƣớc mƣa, từ đó mô phỏng quá trình vận hành của từng đối tƣợng riêng biệt hoặc của toàn bộ hệ thống xử lý nƣớc mƣa. Thông qua đó, MUSIC cho phép ngƣời sử dụng đánh giá đƣợc hiệu quả xử lý nƣớc mƣa cả về số lƣợng và chất lƣợng của từng mắt xích riêng lẻ hoặc của toàn bộ hệ thống tiêu thoát và xử lý nƣớc mƣa của độ thị. MUSIC đƣợc thiết kế chuyên biệt để mô phỏng quá trình hình thành cũng nhƣ quá trình lan truyền chất trong các dòng chảy sinh ra do mƣa trên lƣu vực đã đô thị hóa. Phần mềm đƣợc áp dụng phổ biến cho các khu vực đô thị nhờ khả năng mô phỏng linh hoạt sự thay đổi trong sử dụng đất và tính tƣơng tác giữa các yếu tố thủy văn trong điều kiện đô thị. Bên cạnh đó, với khả năng tích hợp xử lý thông tin trên 6 nền GIS, MUSIC là lựa chọn tối ƣu cho đánh giá hiệu quả của những phƣơng án quy hoạch hệ thống xử lý nƣớc mƣa cho các lƣu vực đã phát triển. - MIKE URBAN là phần mềm lập mô hình nƣớc đô thị, khả dụng, độ linh hoạt cao, tính mở, đƣợc tích hợp với hệ thống GIS, sử dụng mô hình tính toán hiệu quả ổn định và tin cậy về khoa học. MIKE URBAN có thể tính toán và mô phỏng toàn bộ mạng lƣới nƣớc trong thành phố bao gồm hệ thống cấp nƣớc, hệ thống thoát nƣớc mƣa và nƣớc thải trong một hệ thống thoát thải gộp hoặc riêng biệt. - Mô hình đánh giá đất và nƣớc SWAT đƣợc phát triển bởi Bộ Nông nghiệp Hoa Kì (USDA) vào đầu những năm 90 của thế kỉ XX (Susan L. Neitsch et al., 2009). Mô hình đƣợc xây dựng nhằm đánh giá và dự đoán các tác động của thực tiễn quản lý đất đai đến nguồn nƣớc, lƣợng bùn và lƣợng hóa chất trong nông nghiệp sinh ra trên một lƣu vực rộng lớn và phức tạp với sự không ổn định về các yếu tố nhƣ đất, sử dụng đất và điều kiện quản lý trong một thời gian dài. SWAT cho phép mô hình hóa nhiều quá trình vật lí trên cùng một lƣu vực, theo cách thức một lƣu vực sẽ đƣợc chia thành các tiểu lƣu vực, trong mỗi tiểu lƣu vực đƣợc chia thành các đơn vị thủy văn – có những đặc trƣng riêng duy nhất về đất và sử dụng đất.Với sự hỗ trợ của GIS, mô hình SWAT có thể phác họa tiểu lƣu vực và mạng lƣới dòng chảy từ dữ liệu độ cao số (DEM) và tính toán cân bằng nƣớc hàng ngày từ dữ liệu khí tƣợng, đất và sử dụng đất. Dòng chảy mặt đƣợc tính toán theo khoảng thời gian hàng ngày dựa trên phƣơng pháp đƣờng cong số (SCS) và đỉnh dòng chảy đƣợc ƣớc lƣợng theo phƣơng pháp hữu tỉ (Rational method). - Mô hình BEMUS – BElgrade Model of Urban Sewers (Maksimovic and Radojkovic, 1984) + Khả năng của mô hình: Kiểm tra hoặc thiết kế hệ thống tiêu + Sử dụng mô hình mƣa: Trận mƣa thực hoặc mƣa giả tƣởng + Kể đến sự biến đổi theo không gian của mƣa: Có + Phƣơng pháp tính toán tổn thất thấm: Green – Ampt + Phƣơng pháp tính toán mƣa dòng chảy cho các tiểu lƣu vực: Sóng động lực 7 + Diễn toán dòng chảy trong mạng lƣới tƣới tiêu: Sóng động lực + Muskingum – Cunge + Diễn toán dòng chảy có áp: PP Prissmann + PP diễn toán tại các nút của mạng lƣới: Sử dụng phƣơng trình liên tục không xét đến dung tích của giếng - Mô hình CHICAGO HYDROGRAPH (Tholin và Keifer, 1960) + Khả năng của mô hình: Kiểm tra hoặc thiết kế hệ thống tiêu + Sử dụng mô hình mƣa: Mƣa thiết kế dạng Chicago + Kể đến sự biến đổi theo không gian của mƣa: Không + Phƣơng pháp tính toán tổn thất thấm: Horton + Phƣơng pháp tính toán mƣa dòng chảy cho các tiểu lƣu vực: Phƣơng trình liên tục + PT của Izzard + Diễn toán dòng chảy trong mạng lƣới tƣới tiêu: Hồ chứa tuyến tính + Diễn toán dòng chảy có áp: Không đề cập + PP diễn toán tại các nút của mạng lƣới: Sử dụng phƣơng trình liên tục không xét đến dung tích của giếng - Mô hình CTH (Arnell, 1980) + Khả năng của mô hình: Kiểm tra hoặc thiết kế hệ thống tiêu + Sử dụng mô hình mƣa: Trận mƣa thực hoặc mƣa giả tƣởng + Kể đến sự biến đổi theo không gian của mƣa: Không + Phƣơng pháp tính toán tổn thất thấm: Horton + Phƣơng pháp tính toán mƣa dòng chảy cho các tiểu lƣu vực: Sóng động học + Diễn toán dòng chảy trong mạng lƣới tƣới tiêu: Sóng động học + Diễn toán dòng chảy có áp: Không cho phép + PP diễn toán tại các nút của mạng lƣới: Sử dụng phƣơng trình liên tục không xét đến dung tích của giếng - Mô hình HYDROWORKS – Wallingford Software, Hydraulics Research Ltd, UK + Khả năng của mô hình: Kiểm tra hoặc thiết kế hệ thống tiêu 8 + Sử dụng mô hình mƣa: Trận mƣa thực hoặc mƣa giả tƣởng + Kể đến sự biến đổi theo không gian của mƣa: Có + Phƣơng pháp tính toán tổn thất thấm: Horton, SCS, hệ số dòng chảy (tỷ lệ %) + Phƣơng pháp tính toán mƣa dòng chảy cho các tiểu lƣu vực: Rational + Diễn toán dòng chảy trong mạng lƣới tƣới tiêu: Sóng động lực + Diễn toán dòng chảy có áp: PP Preissmann + PP diễn toán tại các nút của mạng lƣới: Sử dụng phƣơng trình liên tục không xét đến dung tích của giếng + Có thể mô phỏng đƣợc chất lƣợng nƣớc - Mô hình ILLUDAS – ILLinois Urban Drainage Area Simulator (Terstriep và Stall, 1974) + Khả năng của mô hình: Kiểm tra hoặc thiết kế hệ thống tiêu + Sử dụng mô hình mƣa: Trận mƣa thực hoặc mƣa giả tƣởng hoặc nhiều trận mƣa liên tục + Kể đến sự biến đổi theo không gian của mƣa: Không + Phƣơng pháp tính toán tổn thất thấm: Horton, SCS + Phƣơng pháp tính toán mƣa dòng chảy cho các tiểu lƣu vực: PP đƣờng đẳng thời + Diễn toán dòng chảy trong mạng lƣới tƣới tiêu: Hồ chứa phi tuyến + Diễn toán dòng chảy có áp: Không cho phép + PP diễn toán tại các nút của mạng lƣới: Sử dụng phƣơng trình liên tục có xét đến dung tích của giếng + Có thể mô phỏng đƣợc chất lƣợng nƣớc - Mô hình ILSD – Illinois Least cost Sewer system Design (Yen, 1984) + Khả năng của mô hình: Kiểm tra hoặc thiết kế hệ thống tiêu + Sử dụng mô hình mƣa: Trận mƣa thực hoặc mƣa giả tƣởng + Kể đến sự biến đổi theo không gian của mƣa: Không + Phƣơng pháp tính toán tổn thất thấm: Horton 9 + Phƣơng pháp tính toán mƣa dòng chảy cho các tiểu lƣu vực: PP đƣờng đẳng thời + Diễn toán dòng chảy trong mạng lƣới tƣới tiêu: Dạng khái niệm (giữ nguyên biểu đồ Q ~ t từ đầu đến cuối kênh, có xét đến thời gian chậm tới + Diễn toán dòng chảy có áp: Không cho phép + PP diễn toán tại các nút của mạng lƣới: Sử dụng phƣơng trình liên tục có xét đến dung tích của giếng + Có thể mô phỏng đƣợc chất lƣợng nƣớc - Mô hình MOUSE – Modelling of Urban Sewers (DHI, 1987) + Khả năng của mô hình: Kiểm tra hoặc thiết kế hệ thống tiêu + Sử dụng mô hình mƣa: Trận mƣa thực hoặc mƣa giả tƣởng, mô hình mô phỏng liên tục + Kể đến sự biến đổi theo không gian của mƣa: Không + Phƣơng pháp tính toán tổn thất thấm: Hệ số dòng chảy, Horton + Phƣơng pháp tính toán mƣa dòng chảy cho các tiểu lƣu vực: Sóng động học/Đƣờng đẳng thời + Diễn toán dòng chảy trong mạng lƣới tƣới tiêu: Sóng động học/Sóng động lực + Diễn toán dòng chảy có áp: PP Preissmann + PP diễn toán tại các nút của mạng lƣới: Sử dụng phƣơng trình liên tục có xét đến dung tích của giếng và PTBT năng lƣợng + Có thể mô phỏng đƣợc chất lƣợng nƣớc - Mô hình SOCS – Simulation Of Channel System (Fugazza, 1996) + Khả năng của mô hình: Kiểm tra hoặc thiết kế hệ thống tiêu + Sử dụng mô hình mƣa: Trận mƣa thực hoặc mƣa giả tƣởng + Kể đến sự biến đổi theo không gian của mƣa: Không + Phƣơng pháp tính toán tổn thất thấm: Green-Ampt, Horton, SCS, hệ số dòng chảy + Phƣơng pháp tính toán mƣa dòng chảy cho các tiểu lƣu vực: Hồ chứa phi tuyến, Nash, IUH 10 + Diễn toán dòng chảy trong mạng lƣới tƣới tiêu: Sóng động lực + Diễn toán dòng chảy có áp: PP Preissmann + PP diễn toán tại các nút của mạng lƣới: Sử dụng phƣơng trình liên tục không xét đến dung tích của giếng và PTBT năng lƣợng - Mô hình SWMM – Storm Water Management Model (Metcalf và Eddy, 1971); (Huber và Heaney, 1982); (Huber và nnk, 1984). + Khả năng của mô hình: Kiểm tra hoặc thiết kế hệ thống tiêu + Sử dụng mô hình mƣa: Trận mƣa thực hoặc mƣa giả tƣởng, mô phỏng liên tục + Kể đến sự biến đổi theo không gian của mƣa: Có + Phƣơng pháp tính toán tổn thất thấm: Green-Ampt, Horton, SCS + Phƣơng pháp tính toán mƣa dòng chảy cho các tiểu lƣu vực: Hồ chứa phi tuyến (PT liên tục + PT Manning) + Diễn toán dòng chảy trong mạng lƣới tƣới tiêu: Sóng động học/sóng động lực/ dòng ổn định + Diễn toán dòng chảy có áp: Có cho phép + PP diễn toán tại các nút của mạng lƣới: sử dụng phƣơng trình liên tục có xét đến dung tích của giếng và mực nƣớc tại nút + Có thể mô phỏng chất lƣợng nƣớc - Mô hình MUAD – Mixed Urban and Agricultural Drainage (Tuấn Anh, 2007) + Khả năng của mô hình: Kiểm tra hoặc thiết kế hệ thống tiêu cho vùng đô thị, nông nghiệp hoặc hỗn hợp đô thị và nông nghiệp. + Sử dụng mô hình mƣa: Trận mƣa thực hoặc mƣa giả tƣởng + Kể đến sự biến đổi theo không gian của mƣa: Không + Phƣơng pháp tính toán tổn thất thấm: Hệ số dòng chảy, SCS + Phƣơng pháp tính toán mƣa dòng chảy cho các tiểu lƣu vực: Hồ chứa phi tuyến, Nash (vùng đô thị), Diễn toán hồ chứa tĩnh (vùng nông nghiệp) + Diễn toán dòng chảy trong mạng lƣới tƣới tiêu: Sóng động học + Diễn toán dòng chảy có áp: Không 11 1.2 Tổng quan các mô hình mô phỏng hệ thống thoát nƣớc đô thị ở Việt Nam. Ngày nay giải quyết các quản lý Tài nguyên nƣớc dựa trên các khía cạnh kỹ thuật, kinh tế xã hội và thể chế - chính sách. Với hƣớng tiếp cận tổng hợp thì việc lựa chọn một công cụ mạnh, có thể giải quyết tổng hợp những bài toán về Tài nguyên nƣớc là cần thiết. Trên thế giới hiện nay có rất nhiều các mô hình mô phỏng hệ thống thoát nƣớc để hỗ trợ các nhà quản lý, các Viện nghiên cứu. - Mô hình SWMM: dùng để tính toán thủy văn, thủy lực dòng chảy cho hệ thống sông ngòi, kênh, rạch, đƣờng ống. Đặt biệt, SWMM mô phỏng bài toán tiêu thoát nƣớc của hệ thống kênh rạch, đƣờng ống đô thị hoặc ven đô chịu ảnh hƣởng của thủy triều cho kết quả rất chính xác. Ngoài ra trong phần mềm SWMM các phiên bản mới còn kèm theo modul phân tích ô nhiễm và lan truyền. SWMM là mô hình đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam, phù hợp với nhiều công việc nhƣ thiết quy hoạch phòng chống ngập úng cho đô thị, giải các bài toán về ô nhiễm đô thị. - Mô hình SWAT: mô hình đánh giá đất và nƣớc ( Soid and Water Assessmen Tool - SWAT ) đây là mô hình thủy văn bao gồm nhiều thành phần và chức năng hữu ích cho phép mô phỏng cân bằng nƣớc và các quá trình thủy văn khác nhƣ chất lƣợng nƣớc, biến đổi khí hậu, sinh trƣởng cây trồng và thực tiễn quản lý đất đai với giao diện sử dụng thân thiện. Tại Việt Nam SWAT bặt đầu du nhập từ năm 1998. Từ những nghiên cứu nhỏ lẻ, rải rác ở một số khu vực ban đầu đến nay đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực quản lý lƣu vực sông cả 3 miền: Bắc, Trung, Nam với quy mô và mức độ khác nhau. - Mô hình MIKE11: là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng do Viện Thủy Lực Đan Mạch (DHI) xây dựng và phát triển trong 20 năm lại đây, đƣợc ứng dụng để mô phỏng chế độ thủy lực, chất lƣợng nƣớc, và vận chuyển bùn cát của sông, trong sông, hệ thống tƣới, kênh dẫn, và các hệ thống dẫn nƣớc khác. MIKE với giao diện thân thiện, dễ dùng, tích hợp GIS nên truy xuất dữ liệu dễ dàng, trích xuất kết quả trực quan, quá trình lập mô hình nhanh.MIKE đƣợc ứng dụng rộng rãi với mục tiêu mô phỏng và tính toán chế độ thủy văn, thủy lực và chất nƣớc ở Việt Nam. 12 - Mô hình KOD-01 và KOD-02 của GS.TSKH Nguyễn Ân Niên phát triển dựa trên kết quả giải hệ phƣơng trình Saint-Venant dạng rút gọn, phục vụ tính toán thủy lực, dự báo lũ... - Bộ mô hình SOBEK đã đƣợc áp dụng phổ biến ở các nƣớc trên thế giới đề giải quyết các bài toán Tính toán, dự báo Tài nguyên nƣớc; Quản lý chất lƣợng nƣớc; Quản lý lũ lụt hạn hán; Vận hành hệ thống cho cả lƣu vực tự nhiên và lƣu vực đô thị. Do vậy mô hình SOBEK là một công cụ hữu ích nhằm đƣa ra các giải pháp quản lý và phát triển tài nguyên nƣớc mang tính tổng thể. Trƣờng Đại học Tài nguyên Môi trƣờng Hà Nội cũng đã nghiên cứu ứng dụng thành công bộ mô hình vào nghiên cứu điển hình xây dựng phục vụ quản lý lũ, ngập úng cho hệ thống công trình khai thác Tài nguyên nƣớc tỉnh Vĩnh Phúc năm 2013, hay nghiên cứu dự báo tính toán dòng chảy lũ đến hồ Kẻ Gỗ năm 2014. Hơn nữa, sự.phát triển tất yêu của các mô hình thƣơng mại hiện nay, SOBEK có tiềm năng phát triển thành mô hình mã nguồn mở cho phép ngƣời sử dụng có thể thiết lập, lựa chọn phƣơng thức giải quyết bài toán liên quan đến Tài nguyên nƣớc phù hợp với điều kiện, phạm vi nghiên cứu của Việt Nam 13 CHƢƠNG 2 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SWMM 2.1 Giới thiệu chung Mô hình quản lý nƣớc mặt SWMM của EPA là mô hình động lực học dòng chảy mặt do nƣớc mƣa tạo nên, dung để mô phỏng dòng chảy một thời đoạn hoặc dòng chảy nhiều đoạn (thời gian dài) cả về lƣợng và chất. SWMM chủ yếu đƣợc dùng cho các vùng đô thị. Thành phần runoff của SWMM đề cập đến một tổ hợp các tiếu lƣu vực nhận lƣợng mƣa (kể cả tuyết), tạo thành dòng chảy và vận chuyển chất ô nhiễm. Phần mô phỏng dòng chảy tuyến của SWMM đề cập đến sự vận chuyển dòng chảy nƣớc mặt qua một hệ thống các ống, các kênh, các công trình trữ hoặc điều tiết nƣớc, các máy bơm và các công trình điều chỉnh nƣớc. SWMM xem xét khối lƣợng và chất lƣợng của dòng chảy sinh ra từ các tiểu lƣu vực, lƣu lƣợng dòng chảy, độ sâu dòng chảy, chất lƣợng của nƣớc trong mỗi đƣờng ống và kênh dẫn trong suốt một thời gian mô phỏng bao gồm nhiều bƣớc thời gian. SWMM ra đời bắt đầu từ năm 1971 và đến nay đã trả qua một số lần nâng cấp lớn, SWMM luôn luôn đƣợc sử dụng rộng rãi khắp thế giới cho các công tác quy hoạch, phân tích và thiếu kế lien quan đến dòng chảy do nƣớc mƣa, bao gồm mạng lƣới thoát nƣớc mƣa, mạng lƣới thoát nƣớc thải và các hệ thống tiêu nƣớc khác trong các vùng đô thị, trong đó cũng có thể bao gồm cả những diện tích không phải là đất đô thị. Chậy dƣới Windows, SWMM 5 tạo ra một môi trƣờng hòa hợp cho việc soạn thảo số liệu đầu vào của vùng nghiên cứu, chạy các mô phỏng thủy lực và chất lƣợng nƣớc, xem kết quả ở nhiều dạng khác nhau. Có thể quan sát bản đồ vùng tiêu và hệ thống đƣờng dẫn theo mã màu; xem các dãy số theo thời gian, các bảng biết, hình vẽ mặt cắt dọc tuyến dẫn nƣớc và các phân tích xác suất thống kê. Phiên bản mới nhất của SWMM đƣợc xuất trình bởi Phòng Cấp thoát nƣớc và tài nguyên nƣớc, Viện nghiên cứu quản lý rủi ri quốc gia, Cục Bảo vệ môi trƣờng Hoa Kỳ với sự giúp đỡ từ công ty tƣ vấn CMD Inc. 2.2 Các tính năng của mô hình SWMM tính toán đƣợc nhiều quá trình thủy lực khác nhau tạo thành dòng chảy, bao gồm: 14 - Lƣợng mƣa biến đổi theo thời gian; - Bốc hơi trên mặt nƣớc tĩnh; - Sự tích tụ và tan tuyết; - Sự cản nƣớc mƣa tại các chỗ địa hình lõm có khả năng chứa nƣớc; - Ngấm của nƣớc mƣa xuống các lớp đất chƣa bão hòa; - Thấm của nƣớc ngầm xuống các tầng nƣớc ngầm; - Sự trao đổi giữa nƣớc ngầm và hệ thống tiêu; - Chuyển động tuyến của dòng chảy trên mặt đất và ở các hồ chứa phi tuyến. Tính biến thiên theo không gian trong tất cả các quá trình này có thể đạt đƣợc thông qua việc phân chia vùng nghiên cứu thành một tập hợp các vũng nhỏ hơn, các tiểu lƣu vực đồng nhất mà mỗi tiểu lƣu vực đó chứa các tiểu diện tích thấm và tiểu diện tích không thấm. Dòng chảy tràn trên mặt đất có thể đi theo một tuyến giữa các tiểu diện tích, giữa các tiểu lƣu vực, hoặc giữa các điểm vào một hệ thống tiêu. SWMM cũng chứa đựng một tập hợp các khả năng mô phỏng linh hoạt về thủy lực dòng chảy theo tuyến thong qua một hệ thống tiêu nƣớc gồm nhiều thành phần: các đƣờng ống, các kênh, các công trình trữ nƣớc và xử lý nƣớc, các công trình phân dòng. Các thành phần này có thể là: - Mạng điều khiển với quy mô không hạn chế. - Các đƣờng dẫn nƣớc với nhiều dạng mặt cắt khác nhau, có thể là kín hoặc hở, có thể là mặt cắt tiêu chuẩn hoặc phi tiêu chuẩn ở dạng tự nhiên. - Mô hình các phần tử đặc biệt nhƣ: công trình trữ nƣớc hoặc xử lý nƣớc, công trình phân dòng, máy bơm, đập tràn và cống. - Các dòng chảy từ bên ngoài vào và các điểm nhập chất lƣợng nƣớc từ dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm hòa trộn vào, dòng thấm hoặc dòng chảy vào phụ thuộc mƣa, dòng chảy nƣớc thải (còn gọi là dòng chảy khi trời khô), và dòng chảy vào do ngƣời sử dụng xác định. - Áp dụng phƣơng pháp tính dòng chảy tuyến theo song động học hoặc theo sóng động lực học. - Mô hình các chế độ dòng chảy khác nhau nhƣ: nƣớc đọng, nƣớc ngập tràn, dòng chảy ngƣợc, sự hình thành vũng ngập trên mặt đất. 15 - Các quy tắc điều khiển do ngƣời sử dụng định ra để mô phỏng hoạt động của máy bơm, cánh cửa van của ống, cao độ ngƣỡng tràn… Ngoài việc mô hình sự hình thành và vận chuyển dòng chảy mặt, SWMM còn có khả năng tính toán đƣợc sự vận chuyển chất ô nhiễm có liên hệ với dòng chảy mặt. Các quá trình sau đây có thể đƣợc mô hình hóa cho một số phần tử chất lƣợng nƣớc do ngƣời sử dụng xác định: - Sự tích tụ chất ô nhiễm khi rời khô trên khắp các loại đất dung khác nhau. - Sự rửa trôi chất ô nhiễm từ các loại đất dung riêng biệt trong suốt trận mƣa. - Đóng góp trự tiếp của sự lƣợng mƣa rơi. - Suy giảm sự tích tụ chất ô nhiễm khi trời khô do hoạt động quét rửa đƣờng phố. - Suy giảm sự vận tải chất rửa trôi do hoạt động BMP (quản lý thực hành tốt nhất). - Sự xâm nhập của dòng chảy vệ sinh khi trời khô và dòng chảy từ bên ngoài vào do ngƣời sử dụng chỉ định tại điểm nào đó trong hệ thống tiêu. - Chuyển động theo tuyến của các phần tử chất lƣợng nƣớc trên khắp hệ thống tiêu. - Suy giảm nồng độ chất qua quá trình xử lý trong các công trình trữ nƣớc hoặc bởi các quá trình tự nhiên trong các đƣờng ống và đƣờng kênh.  Từ khi bắt đầu đƣợc lập ra, SWMM đã đƣợc sử dụng trong hàng nghìn nghiên cứu về thoát nƣớc thải và thoát nƣớc mƣa trên khắp thế giới. Các ứng dụng điển hình của SWMM là: - Thiết kế và bố trí các thành phần của hệ thống tiêu để kiểm soát lũ. - Bố trí các công trình trữ nƣớc (điều hòa nƣớc) và các thiết bị của chúng để kiểm soát lũ và bảo vệ chất lƣợng nƣớc. - Lập bản đồ ngập lụt của các hệ thống kênh tự nhiên. - Vạch ra các phƣơng án làm giảm hiện tƣợng chảy tràn của mạng lƣới thoát nƣớc hỗn hợp. 16 - Đánh giá tác động của dòng chảy vào và dòng thấm lên sự chảy tràn của hệ thống thoát nƣớc thải. - Tạo ra các hiệu ứng BMP để làm giảm sự tải chất ô nhiễm khi trời mƣa. 2.3 Cơ sở lý thuyết SWMM là mô hình mô phỏng các quá trình theo các bƣớc thời gian rời rạc. SWMM mô phỏng số lƣợng và chất lƣợng nƣớc qua các quá trình vật lý sau: Quá trình sinh dòng chảy mặt; Quá trình thấm; Dòng ngầm; Tuyết tan; Diễn toán dòng chảy; Diễn toán chất lƣợng nƣớc. - Dòng chảy mặt (Surface Runoff) Mỗi Subcatchment đƣợc xem nhƣ là một hồ chứa phi tuyến. Dòng chảy vào Subcatchment gồm mƣa và tuyết tan (nếu có). Dòng chảy ra khỏi Subcatchment gồm: thấm, bốc hơi và dòng chảy mặt. Lƣu lƣợng Q của dòng chảy mặt chỉ xuất hiện khi chiều sâu nƣớc trong “hồ chứa” vƣợt quá chiều sâu trữ nƣớc (dp). Quá trình thấm đƣợc SWMM mô tả theo 3 phƣơng pháp: Horton; GreenAmpt; SCS. Quá trình tính toán dòng chảy mặt đƣợc thực hiện bởi modul Block RUNOFF dựa trên phƣơng trình liên tục và PT Manning-Strickler - Diễn toán dòng chảy (Flow routing) Diễn toán dòng chảy trong hệ thống tiêu đƣợc thực hiện bởi giải hệ phƣơng trình Saint Venant. Ngƣời sử dụng SWMM có sự lựa chọn về mức độ chính xác đƣợc sử dụng để giải các phƣơng trình này theo các cách sau: Diễn toán dòng chảy ổn định; Diễn toán sóng động học; Diễn toán sóng động lực. - Diễn toán dòng chảy sóng động học (kinematic wave routing): Giải hệ phƣơng trình Saint Venant không hoàn chỉnh. Dòng chảy lớn nhất có thể vận chuyển qua một đƣờng ống/ kênh là giá trị của dòng chảy đầy tính theo công thức Manning. Khi dòng chảy nhập vào các nút có trị số lớn hơn trị số đó thì
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan

Tài liệu xem nhiều nhất