Đề tài Ứng dụng mô hình thủy văn mô phỏng dòng chảy do mưa và đề xuất giải pháp giảm ngập cho lưu vực Bà Lụa - Tỉnh Bình Dương

ể tính toán tại một mặt cắt cửa ra nhất định trên lưu vực; với cường độ mưa của thời đoạn 20 phút là I20 (mm/h) tương ứng với lưu lượng dòng chảy hình thành là Q20 (m3/s), được xem là trường hợp bất lợi của hệ thống. Mô hình có các hệ số thực nghiệm như: hệ số đổi đơn vị 1/360, C: hệ số tổn thất dòng chảy do đặc tính của mặt đệm, f: hệ số phân bố mưa theo không gian từ số liệu trạm được tính toán. Lúc ấy Qmax (lưu lượng đỉnh) sẽ xuất hiện ứng với thời gian Tc sau khi cơn mưa bắt đầu. Bảng 2.1: Hệ số dòng chảy cho các loại hiện trạng sử dụng đất khác nhau Mô tả khu vực Hệ số dòng chảy Khu kinh doanh buôn bán Trung tâm thành phố Khu vực ngoại vi 0,70-0,68 0,50-0,70 Khu dân cư Nhà nằm đơn lẻ Nhiều nhà cách nhau Nhiều nhà kề nhau Nhà ở ngoại ô Khu căn hộ 0,30-0,50 0,40-0,60 0,60-0,75 0,25-0,40 0,50-0,70 Khu công nghiệp Nhẹ Nặng 0,50-0,80 0,60-0,90 0,10-0,25 0,20-0,35 0,20-0,35 0,10-0,30 Các khu vực khác Công viên, nghĩa trang Sân chơi trên đất hay cỏ Sân ga xe lửa (Nguồn: ASCE, 1970, Design and Construction of Sanitary and Storm Sewers) 24 Bảng 2.2: Hệ số dòng chảy cho các loại bề mặt khác nhau Mô tả khu vực Hệ số dòng chảy Bề mặt lát Nhựa asphalt hay bê tông 0.,70-0,95 Gạch 0,70-0,85 Mái nhà 0,75-0,95 Bãi cỏ, đất pha cát Phẳng, độ dốc 2% Độ dốc từ 2-7% Độ dốc > 7% 0,05-0,10 0,10-0,15 0,15-0,20 Bãi cỏ, đất sét Phẳng, độ dốc 2% Độ dốc từ 2-7% Độ dốc > 7% 0,13-0,17 0,18-0,22 0,25-0,35 (Nguồn: ASCE, 1970, Design and Construction of Sanitary and Storm Sewers) 2.2.2.2. Mô hình sóng động học: Mô hình sóng động học là sự kết hợp giữa phương trình liên tục và phương trình động lượng theo hình 2.1 được mô phỏng như sau: Hình 2.1: Sơ đồ diễn toán dòng chảy bề mặt (PP sóng động học) 25 Phương trình liên tục: 𝒅𝑽 𝒅𝒕 = 𝑨 𝒅𝒅 𝒅𝒕 = 𝑨. 𝒊∗ − 𝑸 (2.2) Trong đó: V = A.d là 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 của lượng mưa hiệu quả). Q: lưu lượng dòng chảy ra khỏi lưu vực tính toán. Phương trình động lượng: là phương trình Manning dưới dạng: Q = 𝑾 𝟏.𝟒𝟗 𝒏 (𝒅 − 𝒅𝒑)𝟓/𝟑𝑺𝟏/𝟐 (2.3) Trong đó: W: chiều rộng trung bình lưu vực. n: hệ số nhám Manning. dp: tổn thất điền trũng. S: độ dốc lưu vực. Phương trình (2.2) và (2.3) kết hợp với nhau tạo thành hệ phương trình vi phân phi tuyến để giải ra ẩn số là độ sâu theo phương pháp sai phân hữu hạn dạng: 𝒅𝟐−𝒅𝟏 ∆𝒕 = 𝒊∗ + 𝑾𝑪𝑶𝑵 [( 𝒅𝟏− 𝒅𝟐 𝟐 ) − 𝒅𝒑] 𝟓/𝟑 (2.4) Trong đó: 𝑊𝐶𝑂𝑁 = −1.49𝑊𝑆 1 2⁄ 𝐴.𝑛 và ∆𝑡 là bước thời gian tính toán. 2.2.2.3. Mô hình đường đơn vị Mô hình đường đơn vị mô phỏng dòng chảy hình thành từ mưa do những trận mưa đơn. Sau khi thấm, với từng lượng mưa hiệu quả (hình 2.2), lưu vực sẽ hình thành các dòng chảy riêng tương ứng với thời gian bắt đầu mưa khác nhau, sau đó tổng hợp lại thành đường cơ sở tương ứng với 1 đơn vị mưa hiệu quả (mm). Khi có cơn mưa với nhiều trận mưa (mỗi thời đoạn là một trận mưa) nhân với đường đơn vị (được xây dựng với từng lưu vực) cho dòng chảy tổng hợp hình thành tại mặt cắt tính toán. 26 Hinh 2.2: Ý nghĩa khoa học mô hình đường đơn vị -UHM (Unit Hydrograph Model) 2.2.2.4. Mô hình căn nguyên Ứng dụng phương trình căn nguyên để mô tả dòng chảy hình thành trên cơ sở xác định lưu vực hứng nước, thời gian chảy tập trung nước (xác định sơ bộ bởi tính toán thủy lực) và lượng mưa được phân theo thời đoạn (5, 10, 15 phút); phương trình căn nguyên mô phỏng dòng chảy hình thành (hình 2.3) theo thời đoạn do mưa, được khái quát theo phương trình sai phân (2.5): 𝑸𝒌 = 𝑲𝑪 ∑ 𝒉𝒌−𝒊+𝟏𝒇𝒊 𝒌 𝟏 (2.5) Trong đó: 𝑄𝑘: dòng chảy hình thành ở giai đoạn k (m 3 /s). 𝑓𝑖: diện tích giữa hai đường đẳng thời (ha). ℎ𝑘−𝑖+1: lượng mưa thời đoạn tương ứng thời gian chảy của hai đường đẳng thời (mm). K: hệ số đổi đơn vị, tùy theo thời đoạn chia (với ∆𝑡 = 5phút có K = 0.0333, ∆𝑡 = 10phút có K = 0.0166, ∆𝑡 = 15phút có K = 0.0111). C: hệ số tổn thất dòng chảy do đặc tính của mặt đệm (C có thể được phân loại theo đặc tính về đất của từng diện tích 𝑓𝑖tương ứng). 27 Hinh 2.3: Sơ đồ lưu vực tính theo phương pháp căn nguyên Công thức trên được ứng dụng để tính toán dòng chảy hình thành từ mưa đến các mặt cắt trên hệ thống sau khi đã xác định thời gian tập trung nước và phân chia diện tích giữa các đường đẳng thời (𝑓𝑖). 2.2.3. Mô phỏng dòng chảy trong hệ đường dẫn thoát nước. Mô phỏng dòng chảy trong hệ đường dẫn thoát nước trước đây thường được chia thành hai giai đoạn: trong đường ống cống, trong kênh và sông, rạch thiên nhiên. Trong những năm gần đây, việc kết hợp mô phỏng chung trên một phần mềm đang được chú trọng phát triển. Do dòng chảy trong ống cống khá phức tạp vì có lúc chảy không áp, có lúc chảy có áp, ngoài ra còn liên kết với các loại hình công trình như hố ga thu nước, mương, kênh hở, hồ điều tiết, cống qua đường, trạm bơm, v.v nên trước đây thường được tính toán riêng lẻ theo từng bộ phận. Năm 1971, với sự ra đời mô hình SWMM đã tổng hợp và tính toán trong cùng một hệ thống có sự tương tác lẫn nhau về mặt thủy lực, nên được sử dụng khá phổ biến cho các đô thị trên thế giới. Mô hình có mã nguồn mở nên được nhiều nhà khoa học quan tâm bổ sung và phát triển. Do vậy, việc tìm hiểu mô hình SWMM sẽ giúp làm rõ tính khoa học và tính liên kết trong việc mô phỏng dòng chảy trong hệ thống đường cống thoát nước đô thị. Diễn toán dòng chảy qua công trình liên quan. Khi dòng chảy qua các công trình như đập tràn, hồ chứa, cống, trạm bơm, lỗ vòi, v.v chuyển động của dòng chảy thường thay đổi đột ngột nên được gọi là dòng 28 chảy không đều biến đổi gấp. Do đó cần phải sử dụng công thức chuyển đổi để đưa về dạng không đều biến đổi chậm để đảm bảo tính ổn định của mô hình. 2.3. PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN MÔ HÌNH ĐỂ MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY DO MƯA. Để mô phỏng dòng chảy do mưa và tiêu thoát nước mưa cho đô thị trên cơ sở tài liệu đã có, dựa trên một vài phương pháp sau:  Phương pháp điều tra, thu thập, khảo sát thực địa: Trong nghiên cứu thủy văn, việc nghiên cứu điều tra, khảo sát thực địa rất quan trọng, giúp chúng ta nắm bắt được một cách chính xác nhất các quá trình đang diễn ra trên lưu vực, từ đó nhận biết và phân tích được quá trình thay đổi của dòng chảy trên lưu vực. Đánh giá đúng tình hình đô thị hóa thực tế trên lưu vực, quá trình và mức độ tập trung dân cư trên khu vực, mức độ bê tông hóa, điều kiện địa hình của lưu vực, xác định được hướng chảy chính của dòng chảy trên lưu vực. Để có thể mô phỏng dòng chảy do mưa cũng như đưa ra các biện pháp, phương án quy hoạch thiết kế hệ thống tiêu thoát nước hợp lý và tối ưu nhất.  Phương pháp kế thừa: Tổng hợp và kế thừa các kiến thức trong các tài liệu liên quan đã được nghiên cứu. Lấy đó làm nền tảng để phát triển các nghiên cứu tiếp theo.  Phương pháp mô hình toán: Áp dụng mô hình toán để mô phỏng dòng chảy do mưa và khả năng tiêu thoát nước mưa cho lưu vực. Trong các mô hình mô phỏng dòng chảy kể trên, khi áp dụng vào thực tế đều co các ưu, nhược điểm như sau:  Mô hình đường thích hợp: là mô hình khá đơn giản, dễ áp dụng, các hệ số tham gia trong mô hình được thực nghiệm đầy đủ. Tuy nhiên khi thời gian mưa ngắn, có cường độ cao hay áp dụng vào lưu vực chịu tác động của triều kết quả tính chỉ cho một giá trị lưu lượng dòng chảy thiết kế tại mặt cắt tính toán nên bị hạn chế trong mô phỏng, chưa đủ cơ sở phục vụ lựa chọn loại hình hay đặc trưng kỹ thuật của công trình thoát nước đô thị khi lưu vực có quy mô lớn.  Mô hình sóng động học có ưu điểm là thể hiện được quá trình dòng chảy hình thành tuy nhiên nhược điểm là giá trị cường độ mưa mang tính trung bình, nên 29 với khu vực có thời gian mưa ngắn mang tính biến động hay tính cho lưu vực lớn có ít số liệu về mặt đệm (đầu vào) khi áp dụng kết quả bị hạn chế.  Mô hình đường đơn vị (UHM) có ưu điểm là thể hiện được quá trình dòng chảy hình thành tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là xem yếu tố mặt đệm cố định nên với sự biến động nhanh của khu vực đô thị (nhất là thời kỳ đang đô thị hóa mạnh mẽ) khi thiết lập bộ thông số tương ứng với tình hình hiện trạng sẽ hạn chế tính chính xác khi ứng dụng vào tính toán với phương án phát triển đô thị của lưu vực.  Mô hình căn nguyên có ưu điểm là thể hiện được quá trình dòng chảy hình thành tương ứng với mô hình mưa thiết kế tuy nhiên có nhược điểm là gia tăng tính toán về yếu tố mưa và thời gian chảy tập trung nước nên khi áp dụng cho lưu vực lớn có ít số liệu về mặt đệm (đầu vào) kết quả bị hạn chế. Dựa vào các mô hình ờ trên và căn cứ vào yêu cầu của đồ án và các tài liệu đã thu thập được, phải chọn một mô hình toán đảm bảo được các yêu cầu sau:  Mô hình có tính thông dụng  Cơ sở khoa học của mô hình rõ ràng  Mô hình có thể Dowload miễn phí, dễ dàng cài đặt  Mô hình được thiết kế giao diện chạy trên nền Windows, thuận tiện và dễ dàng trong việc sử dụng  Mô hình tính toán được nhiều quá trình thủy lực khác nhau tạo thành dòng chảy đô thị  Thời gian tính toán được rút ngắn, do đó có thể chạy được nhiều phương án khác nhau. Đồ án đã lựa chọn mô hình SWMM để thực hiện. Mô hình có khả năng diễn toán với bất kì trạng thái chảy nào nên được ứng dụng vào rất nhiều dạng bài toán khác nhau. 2.4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH SWMM 2.4.1. Giới thiệu về mô hình SWMM SWMM được xây dựng ở hai trường đại học San Phansico và Florida (Mỹ) do cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (EPA) xây dựng từ năm 1971-1999 để mô phỏng 30 chất và lượng nước của lưu vực thoát nước đô thị và tính toán quá trình chảy tràn từ mỗi lưu vực bộ phận đến cửa nhận nước của nó. SWMM ra đời tại Mỹ từ năm 1971 và liên tục được cải tiến.Các phiên bản đầu của SWMM được viết bằng ngôn ngữ lập trình Fortan và chỉ có giao diện bằng chữ (texs) trên nền DOS. Mô hình liên tục được cập nhập và phiên bản mới nhất là SWMM 5.0.018 ra ngày 18/11/2009 càng có nhiều tính năng ưu việt. Mô hình quản lý nước mưa SWMM là một bộ mô hình toán học toàn diện (phần mềm), 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 thủy văn đô thị đều được mô phỏng bao gồm dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm vận chuyển qua mạng lưới hệ thống tiêu thoát nước cùng các hồ chứa và các cống điều tiết. Thành phần dòng chảy mặt của SWMM đề cập đến tổ hợp của một tiểu lưu vực nhận lượng mưa (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 vẩn chuyển dòng chảy nước mặt qua một hệ thống các ống, các kênh, các công trình trữ hoặc điều tiết nước,các máy bơm và các công trình điều chỉnh nước. SWMM theo dõi số lượng và chất lượng của dòng chảy sinh ra trong phạm vi mỗi lưu vực thu nước, và theo dõi mức độ lưu lượng, độ sâu dòng chảy và chất lượng nước trong mỗi đường ống và kênh dẫn trong suốt thời gian mô phỏng (bao gồm rất nhiều các bước thời gian).[9] 2.4.2 Cấu trúc của mô hình Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc của mô hình SWMM 31 Trong sơ đồ trên bao gồm các khối sau: 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. Khối “truyền tải” (Transport block) tính toán truyền tải vật chất trong hệ thống nước thải. Khối “chảy trong hệ thống” (Extran block) diễn toán thủy lực dòng chảy phức tạp trong cống, kênh Khối “Trữ/xử lý“(Strorage/Treatment block) biểu thị các công trình tích nước như ao hồvà 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. Khối “nhận nước” (Receiving block) Môi trường tiếp nhận.[9] 2.4.3. Các thành phần của mô hình SWMM Hinh 2.5: Các thành phần của hệ thống mô phỏng của SWMM + Subcatchment (tiểu lưu vực) Subcatchment: Tiểu lưu vực là thành phần của hệ thống tiêu. Nơi thể hiện mối quan hệ mưa-dòng chảy cần xác định điểm nước ra cho mỗi Subcatchment tại một nút của hệ thống tiêu. Trong Subcatchment có thể được chia thành vùng thấm và vùng không thấm. Trên mỗi Subcatchment, SWMM cũng có thể mô phỏng quá trình tích luỹ, phân phối lại và tan của tuyết, dòng chảy nước ngầm giữa tầng ngậm nước bên 32 dưới Subcatchment với một nút của hệ thống tiêu, quá trình tích lũy và rửa trôi các chất ô nhiễm. +Junction Nodes (nút nối) Junction là các nút của hệ thống tiêu có nối các Link với nhau. Các nút có thể là nơi gặp nhau của các kênh, các giếng thăm trong hệ thống thoát nước, hoặc những vị trí nối đường ống. Dòng chảy từ bên ngoài có thể vào hệ thống tiêu qua các nút. Khi các kênh/đường ống làm việc quá tải thì có thể xảy ra hiện tượng ứ nước ở các nút. Lượng nước thừa này có thể chảy ra khỏi hệ thống thoát nước hoặc cho phép hình thành một "ao" ở trên đỉnh của nút và sau đó lượng nước đó lại chảy trở lại vào trong nút. + Outfall Nodes (cửa ra) Outfall là những nút cuối cùng của hệ thống tiêu, thường được định nghĩa là điều kiện biên dưới của diễn toán dòng chảy sóng động lực học. Đối với những cách diễn toán dòng chảy khác thì nó được xem như là một nút. Chí có một link có thể được nối tới nút Outfall. + Flow Divider Nodes (nút chia nước) Flow Dividers là những nút của hệ thống tiêu, nó có chức năng hướng những dòng chảy vào của nút đến kênh dẫn / đường ống ra khỏi nút theo một cách xác định. Một Flow Divider có không nhiều hơn hai Conduit (kênh/đường ống) đi ra khỏi nó. Flow Dividers chỉ hoạt động khi diễn toán dòng chảy theo mô hình sóng động học. + Storage Units (công trình trữ nước) Storage Units là những nút của hệ thống tiêu, chúng thực hiện chức năng trữ nước. Khả năng trữ của một Storage Unit có thể nhỏ như là một tiểu lưu vực hoặc lớn như là một hồ. Thuộc tính trữ nước của một Storage Unit có thể được mô tả như là một hàm của diện tích bề mặt và độ sâu. + Conduits (đường dẫn) Conduits là đường ống hoặc kênh dẫn, chúng thực hiện chức năng dẫn từ một nút này tới một nút khác trong hệ thống vận chuyển. Hình dạng mặt cắt ngang của chúng có thể có dạng hình học kín, hở theo tiêu chuẩn hoặc ở dạng tự nhiên. + Pumps (máy bơm) 33 Pumps nối hai nút của hệ thống tiêu với nhau, có nhiệm vụ đưa nước từ vị trí thấp đến vị trí cao hơn hay thoát ra khỏi lưu vực. Đặc tính làm việc của bơm được xác định dựa vào đường đặc tính của máy bơm do nhà sản xuất máy bơm cung cấp, mô tả mối quan hệ giữa lưu lượng và cột nước (chiều cao dược được bơm lên). + Flow Regulators (công trình điều tiết nước) Flow Regulator là các công trình hoặc thiết bị được sử dụng để điều tiết dòng chảy trong hệ thống vận chuyển nước. Chúng thường được sử dụng để điều chỉnh việc xả nước khỏi các công trình trữ nước; ngăn cản việc xả nước không hợp lý; hướng dòng chảy đến các công trình xử lý. [9] 2.4.4. Cơ sở toán học về dòng chảy của mô hình SWMM SWMM là mô hình mô phỏng các quá trình theo các bước thời gian rời rạc. Nó tuân theo các định luật bảo toàn khối lượng, năng lượng, động lượng mỗi khi thích hợp. SWMM mô phỏng số lượng và chất lượng nước qua các quá trình vật lý sau: Quá trình sinh dòng chảy mặt; Quá trình thấm; Nước ngầm; Tyết tan; Diễn toán dòng chảy; Ao nước mặt; Diễn toán chất lượng nước. 2.4.4.1. Mô hình RUNOFF Mô hình RUNOFF thể hiện tính toán dòng chảy mặt theo hai bước: - Tính toán quá trình mưa hiệu quả - Tính toán dòng chảy mặt a. 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 theo thời gian. PEF (t) = N(t) – VP(t) – F(t) – W(t) Trong đó: PEF: Lượng mưa hiệu quả (mm) N: Lượng mưa (mm) F: Lượng thấm vào trong đất (mm) W(t): Lượng trữ bề mặt – tổn thất điền trũng (mm) t: Thời gian Trong đó: lượng thấm (F) được ứng dụng bằng phương pháp Horton, Phillip_Ampere hay đường cong tổn thất SCS. 34 b Tính toán dòng chảy mặt Là phương pháp sóng động học chảy trên bề mặt được mô phỏng dòng chảy tràn trên bề mặt bao gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng. - Phương trình liên tục: 𝒅𝑽 𝒅𝒕 = 𝑨 𝒅𝒅 𝒅𝒕 = 𝑨. 𝒊∗ − 𝑸 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( từ đi lượng tổn thất) Q : Lưu lượng dòng chảy ra khỏi lưu vực đang xét. - Phương trình động lượng: Phương trình liên tục kết hợp với phương trình Manning dưới dạng : Q = 𝑾 𝟏.𝟒𝟗 𝒏 (𝒅 − 𝒅𝒑)𝟓/𝟑𝑺𝟏/𝟐 Trong đó: W : Chiều dài trung bình lưu vực. n : Hệ số nhám Manning. dp : Tổn thất điền trũng. S : Độ dốc lưu vực. 2.4.4.2 Diễn toán dòng chảy Diễn toán dòng chảy trong phạm vi một đường ống/kênh trong SWMM bị chi phối bởi các phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng cho dòng chảy không đều biến đổi chậm (hệ phương trình Saint Venant). Người sử dụng SWMM có sự lựa chọn về mức độ chính xác được sử dụng để giải các phương trình này theo các cách sau: Diễn toán dòng chảy đều. Diễn toán sóng động học. Diễn toán sóng động lực học. 35 Diễn toán dòng chảy đều trình bày cách diễn toán dòng chảy đơn giản nhất bằng cách giả thiết rằng trong mỗi bước thời gian tính toán dòng chảy không ổn định và đều. Công thức Manning được sử dụng để thể hiện mối quan hệ giữa lưu lượng và diện tích mặt cắt ướt. Diễn toán dòng chảy đều không thể tính trữ nước trên kênh, nước vật, tổn thất ở cửa vào, cửa ra, dòng chảy có độ dốc ngược, dòng chảy có áp. Nó chỉ được sử dụng với mạng lưới vận chuyển hình cây. Hình thức diễn toán dòng chảy này không nhạy cảm với cách chọn bước thời gian và thực sự thích hợp cho việc phân tích sơ bộ với thời đoạn dài. Diễn toán dòng chảy sóng động học giải phương trình liên tục cùng với hình thức đơn giản nhất của phương trình động lượng trong mỗi đường ống/kênh. Dòng chảy lớn nhất có thể vận chuyển qua một đường 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 có hình thành một ao trên đỉnh của nút hoặc một phần lượng dòng chảy bị tổn thất khỏi hệ thống. Diễn toán dòng chảy sóng động học cho phép dòng chảy và diện tích mặt cắt biến đổi theo cả không gian và thời gian trong phạm vi một đường ống/kênh và phương trình liên tục tại các nút Với hình thức diễn toán này, nó có thể mô tả dòng chảy có áp khi một đường ống kín bị đầy. Úng ngập có thể xảy ra khi chiều sâu ở một nút lớn hơn chiều sâu lớn nhất, và khi đó lượng dòng chảy vượt quá hoặc là bị tổn thất khỏi hệ thống hoặc là hình thành một ao ở trên đỉnh của nút và quay trở lại hệ thống khi có thể. Diễn toán sóng động lực học có thể tính toán khả năng trữ nước của kênh, nước vật, tổn thất ở cửa vào/cửa ra, dòng chảy ứng với độ dốc ngược, và dòng chảy có áp. Đây là phương pháp được lựa chọn để mô phỏng cho hệ thống chịu sự ảnh hưởng đáng kể của nước vật do sự hạn chế của dòng chảy hạ lưu và sự điều tiết dòng chảy qua tràn hoặc lỗ. Cách diễn toán dòng chảy này để ổn định về mặt số học đòi hỏi bước thời gian mô phỏng nhỏ, khoảng chừng 1 phút hoặc nhỏ hơn.[10] 2.4.4.3 Phân chia tiểu lưu vực trong sơ đồ thủy lực cho khu vực nghiên cứu Việc xác định tiểu lưu vực đô thị là một vấn đề rất phức tạp, thông thường có 2 cách phân chia tiểu lưu vực như sau: 36 - Đối với khu tự nhiên, địa hình có độ dốc lớn thì lưu vực được phân chia bằng đường phân thủy thông qua dữ liệu địa hình. - Đối với khu đô thị là khu vực có độ dốc nhỏ hoặc tương đối bằng phẳng, có sự biến đổi địa hình không rõ rệt. Lưu vực tính toán được chia thành các lưu vực bộ phận căn cứ vào chiều dài cống thu và hình dạng của lưu vực và mức mộ phân nhánh của hệ thống công với điều kiện khoảng cách từ các lưu vực thoát nước đến các công trình đường ống trên đường phố là ngắn nhất. Cách phân chia tiểu lưu vực trong đô thị như sau:  Căn cứ vào hệ thống tiêu thoát nước hiện trạng, địa hình khu vực, các đường thoát nước chính để phân chia lưu vực thành các tiểu lưu vực.  Các tiểu lưu vực được thiết lập với các đặc trưng cần khai báo như: diện tích, độ dốc và bề rộng trung bình của tiểu lưu vực. 2.4.5. Các ứng dụng điển hình của SWMM Kể từ khi xuất hiện, SWMM đã được sử dụng trong nhiều trong những nghiên cứu về nước thải và nước mưa. Những ứng dụng điển hình của SWMM bao gồm: Thiết kế và bố trí các thành phần của hệ thống tiêu để kiểm soát lũ. Bố trí công trình trữ nước (điều hòa nước) và các thiết bị của chúng để kiểm soát lũ và bảo vệ chất lượng nước. Vạch ra các phương án giảm hiện tượng chảy tràn của mạng lưới thoát nước hỗn hợp Đánh giá tác động của dòng chảy vào và dòng chảy tràn của mạng lưới thoát nước hỗn hợp. Đánh giá tính hiệu quả của BMP để làm giảm sự tải chất ô nhiễm khi trời mưa.[9] 2.4.6. Khả năng mô phỏng của mô hình SWMM Mô phỏng các mạng lưới với quy mô không giới hạn. Những quá trình đó bao gồm: - Biến đổi của mưa theo thời gian; - Bốc hơi bề mặt; - Tích luỹ và tan của tuyết; Lượng mưa bị giữ lại ở những phần đất trũng; 37 - Thấm của mưa vào lớp đất thấm chưa bão hoà; - Nước thấm từ nước mặt chảy vào trong nước ngầm; - Sự trao đổi dòng chảy giữa nước ngầm và hệ thống tiêu; - Diễn toán hồ chứa phi tuyến của dòng chảy trên mặt đất - Sự khác nhau theo không gian của tất cả các quá trình này được thể hiện bằng cách chia vùng nghiên cứu thành những tiểu lưu vực đồng nhất nhỏ hơn, mỗi tiểu lưu vực có tỉ số giữa diện tích thấm và không thấm riêng. SWMM cũng bao gồm một tập hợp các khả năng mô phỏng thuỷ lực mềm dẻo sử dụng để diễn toán dòng chảy và những dòng chảy bên ngoài vào hệ thống thoát nước hình thành nên bởi mạng lưới các công trình đường ống, kênh dẫn, công trình chứa nước hoặc xử lý nước, công trình dẫn dòng. Các khả năng đó là: - Mô phỏng các mạng lưới với quy mô không giới hạn. - Sử dụng các ống dẫn có hình dạng mặt cắt khác nhau, các kênh tự nhiên; - Mô phỏng các yếu tố đặc biệt như là hồ chứa/công trình xử lý, công trình phân dòng chảy, bơm, tràn, lỗ. - Các dòng chảy từ bên ngoài như dòng chảy vào kênh dẫn từ nước ngầm, dòng chảy vệ sinh khi thời tiết khô hạn, và dòng chảy do người sử dụng xác định. - Sử dụng phương pháp diễn toán sóng động học hoặc sóng động lực học.[9] 38 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWMM MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY DO MƯA CHO LƯU VỰC NGHIÊN CỨU 3.1. ĐẶC ĐIỂM MƯA VÀ TÍNH TOÁN MƯA THIẾT KẾ 3.1.1. Đặc điểm mưa Theo báo cáo “Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn dòng chảy thủy văn đô thị phục vụ xây dựng cơ sở hạ tầng, chỉnh trang đô thị và chống ngập vùng ven sông Sài Gòn – Tỉnh Bình Dương’’, của TS.Trương Văn Hiếu Tỉnh Bình Dương nói chung và lưu vực Bà Lụa nói riêng là một bộ phận trong vùng nhiệt đới gió mùa ở Nam Bộ. Đặc điểm mưa của khu vực có 2 mùa: mùa khô (ứng với hướng gió Đông – Bắc) và mùa mưa (ứng với hướng gió Tây – Nam). Trên khu vực, mưa là một trong những yếu tố khí tượng thủy văn có sự phân hóa mạnh mẽ theo không và thời gian. Mùa mưa ở khu vực Bình Dương đến sớm hay muộn phụ thuộc vào hình thế thời tiết xuất hiện (thời gian) trong năm và thường không đồng đều ở khu vực Nam Bộ (không gian) được thể hiện như sau: [1] (i) Về thời gian: Thời gian bắt đầu mùa mưa phụ thuộc vào sự xuất hiện sớm hay muộn của hoàn lưu gió mùa tây nam (tháng 5 đến tháng 9) kết hợp với các xoáy thuận nhiệt đới (bão, áp thấp nhiệt đới, áp thấp) hoạt động trên Tây Thái Bình Dương và Biển Đông làm cho lượng mưa tăng lên. Thời gian chấm dứt mùa mưa thường biểu hiện qua sự xuất hiện của hoàn lưu gió mùa Đông Bắc (tháng 11 đến tháng 3 năm sau) (ii) Về không gian: Sự bắt đầu mùa mưa xảy ra ở phía Bắc Lưu vực sông Đồng Nai (Bình Phước, Bảo Lộc, Lâm Đồng) và ven Biền Tây (Kiên Giang, Cà Mau); mùa mưa đến muộn nhất là vùng ven Biển Đông từ Bà Rịa-Vũng Tàu qua Cần Giờ (TP.HCM) đến Gò Công Đông, Bến tre và Trà Vinh. Với sự hình thành mưa theo điều kiện khí hậu thời tiết chung ở khu vực Nam Bộ, khu vực nghiên cứu có lượng mưa trung bình từ 1500 - 1950 mm với sự phân mùa mưa - khô như sau: - Mùa khô: từ tháng XI - tháng IVnăm sau. - Mùa mưa: từ tháng V - tháng X - Khoảng thời gian giao mùa: Trong năm thời kỳ giao mùa của khô - mưa là các tháng 4 và 5; thời kỳ giao mùa của mưa - khô là các tháng XI và XII. 39 Nhận xét: Trong thời kỳ 25 năm qua (1985, 2008) có những năm có ngày bắt đầu mùa mưa rất muộn (1998, 2010) hoặc rất sớm (1999, 2008) nhưng các năm khác phần lớn trùng vào thời kỳ mưa - khô trong năm. Trong thời kỳ gió mùa tây nam thịnh hành (gió mùa tây nam thổi từng đợt, mỗi đợt kéo dài từ 3 – 10 ngày, thường từ 5-7ngày) đem lại lượng m