LỜI CAM ĐOAN.i
LỜI CẢM ƠN. ii
MỤC LỤC . iii
DANH MỤC VIẾT TẮT.vi
DANH MỤC BẢNG . vii
DANH MỤC HÌNH . viii
MỞ ĐẦU .1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN KINH TẾ - XÃ HỘI LƯU
VỰC NGHIÊN CỨU .4
1.1 ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN .4
1.1.1 Vị trí địa lý.4
1.1.2 Đặc điểm địa hình của lưu vực.5
1.1.3. Đặc điểm thổ nhưỡng thảm phủ .6
1.1.4. Đặc điểm khí hậu.8
1.1.5. Hệ thống sông rạch liên quan đến tiêu nước khu vực nghiên cứu .9
1.1.6 Đặc điểm dòng chảy.10
1.2. ĐIỀU KIỆN KINH TẾ - XÃ HỘI.11
1.2.1. Tình hình dân số .11
1.2.2. Cơ cấu kinh tế và tốc độ tăng trưởng .12
1.2.3. Tình hình nông nghiệp – công nghiệp.13
1.3. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC TRÊN LƯU VỰC BÀ LỤA .16
1.4. ĐÁNH GIÁ CHUNG. .18
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN MÔ HÌNH MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY DO MƯA.20
2.1. CÁC YẾU TỐ CƠ BẢN TÁC ĐỘNG ĐẾN DÒNG CHẢY ĐÔ THỊ .20
2.1.1 Tác động của khí hậu (chủ yếu là yếu tố mưa) .20
2.1.2. Tác động của quá trình đô thị hóa .20
2.2. MỘT SỐ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY ĐÔ THỊ THÔNG DỤNG .21
2.2.1. Mô hình tính toán lượng mưa hiệu quả .21
2.2.2. Mô hình dòng chảy bề mặt. .22
88 trang |
Chia sẻ: honganh20 | Ngày: 11/02/2022 | Lượt xem: 536 | Lượt tải: 2
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu 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, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- de_tai_ung_dung_mo_hinh_thuy_van_mo_phong_dong_chay_do_mua_v.pdf