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

Nội dung tài liệu: Xây dựng mô hình thích hợp cho tính toán hệ thống công trình tổng hợp tiêu thoát nước đô thị vùng ảnh hưởng triều

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO – BỘ NƠNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM === ĐẶNG THANH LÂM XÂY DỰNG MƠ HÌNH THÍCH HỢP CHO TÍNH TỐN HỆ THỐNG CƠNG TRÌNH TỔNG HỢP TIÊU THỐT NƯỚC ĐƠ THỊ VÙNG ẢNH HƯỞNG TRIỀU Chuyên ngành: Kỹ thuật Tài nguyên nước Mã ngành: 62 58 02 12 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP Hồ Chí Minh-2015
2. Cơng trình được hồn 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 Cĩ 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
3. 1 MỞ ĐẦU Thực tiễn và khoa học khẳng định việc giải quyết vấn đề tiêu thốt nước chống ngập úng hiệu quả phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đĩ mơ hình thuỷ văn thuỷ lực đơ thị là cơng cụ quan trọng và khơng thể thiếu trong cơng tác quy hoạch, thiết kế mạng lưới tiêu thốt nước. Một phương pháp tính và chương trình máy tính tương ứng, với tên gọi DELTA-P, được xây dựng nhằm tính tốn được sự tương tác giữa mạng kênh sơng 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 thốt nước đơ thị cĩ xét đến yếu tố tác động của triều cường và mưa cục bộ trong điều kiện đơ thị hố. Đồng thời, cải tiến một số mơ 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 mơđun tính tốn thuỷ lực bài tốn tiêu thốt nước đơ thị; (2) Kết nối mơđun với với mơ hình thuỷ lực sơng kênh DELTA; (3) Giải đồng thời bài tốn mưa trên lưu vực, dịng chảy trong cống và trong kênh ở vùng ảnh hưởng triều; (4) Cơng cụ cĩ thể ứng dụng cho bài tốn thực tế. Ý nghĩa khoa học: Luận án là một phát triển mới về mơ hình tính tiêu thốt nước đơ thị từ mưa trên bề mặt đơ thị-đường ống- kênh, khơng trùng lặp với cơng trình đã cĩ. Xây dựng mơ hình tính tốn hồn chỉnh DELTA-P và đã được kiểm nghiệm. Ý nghĩa thực tiễn: Cĩ một cơng cụ mới để giải quyết bài tốn tiêu thốt nước đơ thị.
4. 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGẬP ƯNG ĐƠ THỊ, GIẢI PHÁP CHỐNG NGẬP VÀ MƠ HÌNH TÍNH TIÊU THỐT NƯỚC 1.1 NGẬP LỤT VÀ CÁC GIẢI PHÁP CHỐNG NGẬP CHO MỘT SỐ THÀNH PHỐ Cĩ thể nĩi rằng việc giải quyết vấn đề tiêu thốt nước cho đơ thị cĩ từ ngàn năm trước. Đến những năm 1980 nhờ phát triển cơng nghệ phần mềm vi tính mơ phỏng hệ thống tiêu thốt nước đã làm tăng hiệu quả kinh tế của các cơng trình tiêu thốt 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 chĩng 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 đơ 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 giĩ mùa, bão nhiệt đới và triều cường. - Hà Nội cĩ tốc độ đơ thị hĩa 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 cĩ nơi trên 4m. - Tại Đà Nẵng, mỗi khi cĩ mưa lớn, thành phố lại cĩ 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:
5. 3 - Nguyên nhân khách quan: như cốt nền thấp, mưa lớn, triều cường, lũ thượng nguồn, đơ thị hĩa 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 đơ thị: Để chống ngập lụt tại các thành phố lớn một cách cĩ hiệu quả cần một giải pháp đồng bộ, tầm quy hoạch mang tính chiến lược, đặc
6. 4 biệt cần cĩ sự đĩng gĩp trí tuệ của các nhà khoa học và ý thức cộng đồng trong cơng tác phịng chống ngập úng. Theo quan điểm chiến lược tiêu nước đơ thị tổng hợp, việc ứng dụng của mơ hình tốn nhằm: - Phân tích chi tiết nguyên nhân, ảnh hưởng và biện pháp khắc phục ngập úng đơ thị; - Cung cấp thơng tin để hiểu rõ hơn sự tác động của các nguồn nước đối với hoạt động, vận hành của hệ thống tiêu thốt nước; - Xây dựng kế hoạch tổng hợp phát triển hạ tầng và các cơng trình chống ngập; - Đánh giá hiện trạng và dự báo rủi ro úng ngập; - Lập kế hoạch ứng phĩ khẩn cấp; - Đánh giá tác động của hệ thống tiêu nước đối với hệ thống sơng kênh; - Ứng phĩ biển đổi khí hậu và nước biển dâng. Các bộ mơ hình thủy văn-thủy lực đơ thị được phát triển để mơ phỏng các loại đối tượng riêng biệt hoặc được tích hợp một số đối tượng như: - Tương tác cống ngầm-sơng kênh hở; - Ngập lũ sơng kênh-ơ đồng, bãi tràn; - Tương tác dịng chảy mặt phố-cống ngầm-sơng kênh hở; - Tương tác cống ngầm-tầng nước ngầm; - Tương tác cống ngầm-thủy triều. Trong đĩ bộ các mơ hình dịng chảy mặt phố-cống ngầm-sơng kênh hở được giới thiệu trong tài liệu hướng dẫn ứng dụng cho quản lý tiêu thốt nước tổng hợp. Nhìn chung, cách tiếp cận mơ hình hĩa hệ thống tiêu nước đơ thị gồm: (i) Mơ hình một chiều (1D) ứng dụng cho các hệ thống cĩ dịng chảy 1 chiều trong lịng dẫn và (ii) Mơ hình hai chiều (2D) ứng
7. 5 dụng mơ phỏng hệ thống cĩ cả dịng chảy tràn theo hướng ngang. Hệ thống cống ngầm và sơng kênh hở thường được mơ phỏng dạng 1D. Dịng chảy tràn bề mặt phố cĩ thể mơ phỏng dạng 1D hay 2D. Trên thế giới đã phát triển nhiều cơng cụ mơ 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 cĩ mơ hình F28 tính tốn hệ thống đường ống tiêu thốt nước đơ thị đang được nghiên cứu phát triển và ứng dụng thử nghiệm. Các dự án, đề tài đã sử dụng riêng 2 mơ hình tốn là mơ hình thủy lực sơng kênh và mơ hình cống ngầm đơ thị nhằm giải quyết vấn đề tính tốn tiêu thốt nước đơ thị là một hạn chế lớn. Thực tiễn ở nước ta địi hịi sự liên hợp được cả hai bài tốn lớp ngồi (sơng kênh) và lớp trong (hệ thống tiêu nước nội đơ) thành mơ hình tổng hợp. 1.2 MƠ HÌNH TỐN TÍNH TIÊU NƯỚC ĐƠ THỊ a) Một số khái niệm: Ảnh hưởng của đơ thị hĩa tới chu trình thuỷ văn: Chu trình thuỷ văn được minh hoạ qua các bước chuyển biến dịng nước mưa từ khí quyển rơi xuống bề mặt đất và chảy ra sơng biển qua các bước chảy trung gian. Ở khu vực đơ thị hố chu trình thuỷ văn bị điều chỉnh khá nhiều do hệ thống tiêu thốt nước, khu trữ và điều tiết nhân tạo; bề mặt đất bị bê tơng hố làm giảm lượng thấm xuống tầng nước ngầm. Tính chất thủy văn lưu vực đơ thị: Lưu vực đơ thị được phân định bởi điều kiện địa hình phân chia dịng chảy bề mặt và sự ảnh hưởng của địa vật tự nhiên hay do con người xây dựng như tuyến đường giao thơng.
8. 6 b) Mơ hình thủy văn đơ thị Các loại mơ hình thủy văn đơ thị: Một số phương pháp tính tốn được áp dụng để tính tốn mưa- dịng chảy ở đơ thị, gồm: (i) Một số cơng thức kinh nghiệm thơng dụng: - Phương pháp Căn nguyên (Rational) và phương pháp Biểu đồ đơn vị. (ii) Một số mơ hình tốn phổ biến: - Mơ hình Mike-RR: gồm các mơđun NAM, SMAP, FEH, DriFt, Urban-A, Urban-B. - Mơ hình HEC-HMS. Nhận xét chung: Mơ hình như Urban-B là thích hợp nhất để tính tốn thuỷ văn đơ thị ở TP Hồ Chí Minh với khá đầy đủ tài liệu. Trong trường hợp thiếu tài liệu về đặc trung lưu vực thì cĩ thể sử dụng loại mơ hình Urban-A. c) Mơ hình thủy lực đơ thị Dịng chảy trong đơ thị: Chu trình dịng 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 sơng kênh. Đường phố là các tuyến tiêu nước cấp bách, cĩ khả năng chuyển nước và trữ nước tạm thời. Với mơ hình tiêu thốt nước đơ thị cần cĩ các mơ hình thành phần như mơ hình thủy văn đơ thị, mơ hình đường ống, mơ hình kênh sơng và sự nối kết giữa các mơ hình thành phần. Mơ hình thủy lực SWMM: Mơ hình SWMM tính tốn đặc trưng dịng chảy trong hệ thống thốt nước đơ thị và dịng chảy sơng kênh trên cơ sở giải hệ phương trình Saint Venant cho dịng chảy 1 chiều khơng ổn định.
9. 7 Phương pháp giải cho hệ đường ống được trình bày kỹ lưỡng trong tài liệu học thuật của mơ hình. Một số cơng trình như trạm bơm và cơng trình cũng được mơ tả trong SWMM. Mơ hình đã được ứng dụng cho tính tốn tiêu nước khu vực Tham Lương-Bến Cát ở TP Hồ Chí Minh. Mạng cống ngầm được mơ phỏng nhưng tác giả khơng 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. Nhĩm mơ hình thủy lực MIKE: Bộ mơ hình MIKE cĩ các mơđun MOUSE, MIKE11 và MIKE21 cĩ thể liên kết với nhau thành bộ MIKE URBAN (MOUSE-MIKE21) hay MIKE FLOOD (MIKE11-MIKE21 hay cả 3 mơđun kết hợp). Một số kết quả nghiên cứu ứng dụng của mơ hình Mike được cơng bố như: - Ứng dụng MIKE FLOOD tính tốn ngập úng sơng Nhuệ-Đáy Hà Nội. - Mơ phỏng ngập úng đơ thị Dhaka Bangladesh bằng MOUSE với mơ hình hệ thống cống ngầm tiêu nước liên kết với tính tốn dịng chảy bề mặt. Mơ hình thủy lực F28: Trong phần mềm, các mơđun tính tốn các dịng chảy được phát triển là: mưa-dịng chảy trên mặt đất; dịng chảy trong cống và trên mặt đường. Mơ hình được ứng dụng tính tốn cho khu đơ thị Thủ Thiêm và mơ phỏng được hệ thống đường ống nối với mạng sơng kênh và mơ phỏng được hiện tượng úng ngập do mưa lớn. Mơ hình thủy lực VRSAP: Mơ hình thủy lực VRSAP đã áp dụng tính tốn kiểm sốt lũ và chống ngập úng cho nhiều khu vực ngoại thành và vùng ngập lũ châu
10. 8 thổ. VRSAP là mơ hình dịng chảy 1 chiều trong sơng kênh thuần túy. CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH DELTA-P NỐI GHÉP THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG VỚI THỦY LỰC SƠNG KÊNH Mơ hình DELTA-P (mơ hình thủy lực sơng kênh DELTA cĩ mơđun thủy lực cống P) được ứng dụng trong nghiên cứu điển hình để tìm hiểu tính năng của mơ hình cũng như xem xét học thuật của phần mềm. Đồng thời, sử dụng mơ hình để phân tích một số giải pháp tổng hợp tiêu thốt nước vùng nghiên cứu điển hình nối với hệ thống sơng lớn. Những trường hợp tính tốn mơ phỏng gồm: - Hồn nguyên mơ hình thuỷ lực DELTA-P và so sánh với bộ số liệu thực đo dịng chảy trên sơng kênh và điều tra úng ngập vùng THLG. Mơ hình thủy lực sơng kênh bao trùm tồn bộ khu vực hạ lưu sơng Đồng Nai-Sài Gịn từ hạ lưu hồ Dầu Tiếng, Trị An ra đến biển Đơng, cĩ khả năng mơ phỏng tác động lũ thượng nguồn, ảnh hưởng triều biển Đơng và khả năng điều tiết lũ của các vùng ngập lũ ven sơng và các vùng đất trũng phía nam TP Hồ Chí Minh. - Mơ hình thủy lực cống ngầm vùng THLG mơ phỏng khả năng tiêu thốt nước mưa và tác động của thủy triều vào hệ thống cống ngầm. - Tính tốn các trường hợp cải tạo nâng cấp cống ngầm và kênh THLG nhằm giảm ngập úng cục bộ (lớp trong). - Cĩ khả năng tính trường hợp cĩ cơng trình trên sơng kênh ngăn triều (lớp ngồi) làm giảm mực nước trên sơng kênh và tăng khả năng tiêu thốt nước của hệ thống cống ngầm vùng THLG. 2.1 MƠĐUN THỦY LỰC TRONG SƠNG KÊNH
11. 9 Phần thuật tốn thuỷ lực sơng kênh của mơ hình DELTA-P được phát triển với đủ cơ sở chặt chẽ cả về mặt tốn và cơ học và được khẳng định qua các ứng dụng thực tế. Những đĩng gĩp 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 MƠĐUN THỦY LỰC DÕNG CHẢY TRONG ĐƯỜNG ỐNG Cống tiêu nước đơ thị là dạng cống ngầm cĩ dạng hình trịn hay chữ nhật và chiều dài cống khá lớn. Dịng chảy trong cống ngầm cĩ các hình thức được mơ phỏng như sau: - Khi dịng chảy đầy mặt cắt cống thì chế độ chảy là cĩ áp; - Khi mực nước thượng lưu ngập miệng vào cống nhưng cửa ra vẫn thấp hơn đỉnh cống thì chế độ chảy một phần cĩ áp và một phần khơng áp hay là nửa áp. - Mực nước trước cống và trong cống thấp hơn đỉnh cống thì chế độ chảy là khơng áp. Tùy theo độ sâu mực nước trong cống so với độ sâu phân giới để xác định chế độ chảy khơng ngập hay ngập. Hình 2-1: Sơ đồ khối các trường hợp tính ứng với các điều kiện dịng chảy trong cống
12. 10 Trong các cơng thức Hình 2-1 luơn cĩ 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 cĩ 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 đĩ các ẩn là mực nước tại các hợp lưu kênh sơng, mực nước cột áp tại các cửa thu nước và tại các cửa xả ra kênh. Thuật tốn của DELTA-P sử dụng cùng nguyên lý ghép nối kênh- cống hoặc cống-cống. Sơ hoạ cách nối ghép mạng cống và mạng sơng tại một điểm nút như Hình 2-3. Hình 2-2: Hình minh hoạ các trường hợp dịng chảy trong cống Tính mưa trong mơ đun đường ống P như sau: Dịng chảy do mưa tập trung vào các cửa thu nước trên các đường phố đĩ. Tốc độ tiêu thốt phụ thuộc vào lưu lượng chảy vào các cửa thu mà lưu
13. 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: dZi Fi R i()(,) t Q i, k Z i h k (3-10) dt k trong đĩ, Fi là diện tích mặt ơ 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 mơ hình thuỷ lực thơng thường nhưng bây giờ cĩ thêm cao trình ngập trên các lưu vực Z nên khi khơng cĩ mưa thì vẫn cĩ biến đổi của Z như trường hợp ngập triều trong mạng ống với các vùng trũng. Hình 2-3: Các nhánh sơng và cống ngầm tại nút hợp lưu sơng I
14. 12 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG DELTA-P MƠ PHỎNG SƠNG KÊNH TP HỒ CHÍ MINH VÀ CỐNG LƯU VỰC TÂN HỐ-LỊ GỐM 3.1 TÌNH HÌNH NGẬP ƯNG 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 cĩ cao độ trung bình dưới 1,0m nằm giữa các kênh rạch chằng chịt trong lưu vực hạ lưu sơng Đồng Nai. Khí hậu: Nhiệt độ trung bình hàng năm và độ ẩm cao. Trong năm cĩ hai mùa: mùa khơ 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 sơng kênh và chế độ thủy văn: Hầu hết các sơng rạch TP Hồ Chí Minh đều chịu ảnh hưởng dao động bán nhật triều khơng đều của Biển Đơng. Mực nước đỉnh triều cao khoảng 1,55-1,60m. Các sơng lớn: gồm sơng Đồng Nai, Sài Gịn chảy qua khu trung tâm thành phố và sơng Vàm Cỏ, Lịng Tàu và Thị Vải ở khu vực ven biển. Kênh rạch khu vực nội thành: gồm các rạch Nhiêu Lộc - Thị Nghè, Tân Hĩa - Lị Gốm, Tàu Hủ - Bến Nghé, Kênh Đơi - Kênh Tẻ, rạch Nước Lên - Rạch Bến Cát và rạch Cầu Sơn–Vàm Tắt. Khu vực ngoại thành: cĩ nhiều kênh rạch khu vực nội thành mới (Thủ Đức), khu Nam thành phố và ven biển. Hệ thống cống thốt nước: hiện nay là hệ thống thốt nước chung tất cả các loại nước mưa, nước thải. Hệ thống tiêu thốt nước của thành phố được phân chia theo các cấp sau: Kênh cấp I: là hệ thống sơng, kênh rạch.
15. 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 tồn thành phố (nội thành và vùng ven) cĩ tổng diện tích ngập là 4.011 ha. Trong đĩ, ngập đất xây dựng 2861 ha, ngập đất nơng nghiệp 1150 ha. Nhiều nơi ở trung tâm thành phố cĩ 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 sơng 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 nơng nghiệp, nơng thơn khoảng 65 tỷ đồng và khu đơ 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 cĩ cao trình thấp dưới 1,5m; mưa cĩ cường suất cao nên nước tập trung quá nhanh; mực nước của các sơng rạch cao do ảnh hưởng của triều cường biển Đơng; cơng trình tiêu thốt nước khơng 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 Đơng và lũ của thượng nguồn sơng Đồng Nai, sơng Sài Gịn đổ về.
16. 14 Hướng giải quyết úng ngập: Nhiệm vụ quy hoạch tiêu thốt 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 cơng trình thơng 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 thốt nước theo yêu cầu sản xuất nơng nghiệp; xây dựng đê bao khép kín. Các dự án chống ngập úng Tp Hồ Chí Minh Những nghiên cứu cĩ 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 thốt nước đơ 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 mơi trường Kênh Tàu Hủ-Bến Nghé và Kênh Đơi-Kênh Tẻ. - Dự án cải thiện vệ sinh và nâng cấp đơ thị kênh Tân Hĩa-Lị Gốm. - Dự án cải thiện mơi trường kênh Hàng Bàng. 3.2 MƠ HÌNH THỦY LỰC SƠNG KÊNH Sơ đồ tốn DELTA-P áp dụng cho hệ thống sơng hạ lưu Đồng Nai-Sài Gịn được trình bày cùng với các điều kiện số liệu địa hình, thủy văn và điều kiện biên. Mơ hình được hồn 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 tốn khá nhanh, thuận lợi khi ứng dụng mơ hình vào các bài tốn lớn, phổ biến rộng rãi.
17. 15 Hình 3-1: Mực nước thực đo và mơ phỏng tại Phú An tháng 10-2005 3.3 MƠ HÌNH THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG (1) Phạm vi nghiên cứu và hệ thống kênh, cống trong vùng Hệ thống tiêu thốt nước Tân Hố-Lị Gốm (THLG) là một trong năm hệ thống tiêu thốt 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 thốt 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 thốt nước; - Xây dựng các đoạn cống thốt nước mới bên cạnh các đoạn cống thốt nước quá tải để tăng khả năng tiêu thốt.
18. 16 (3) Tài liệu địa hình Hệ thống THLG cĩ tài liệu khảo sát mặt cắt kênh và bình đồ tuyến đường ống thốt nước cũng như kích thước các ống. (4) Tình hình ngập úng lưu vực Tân Hố-Lị Gốm Cĩ 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) Mơ phỏng các phương án tiêu thốt nước Điều kiện biên và trạm kiểm định của mơ hình thuỷ lực sơng 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 Hồ. Số liệu mưa trạm Tân Sơn Nhất. Thiếu số liệu đo mực nước và lưu lượng dịng chảy trên kênh THLG. (6) Mơ hình mạng đường ống Mơ hình thuỷ lực đường ống bao gồm 106 đoạn, xác định bằng liên kết các nút, cĩ hướng dịng chảy, cĩ thơng số kích thước cống và cao trình cống. (7) Điều kiện mưa và dịng chảy do mưa Ứng dụng nghiên cứu mơ phỏng hệ thống tiêu thốt nước với trận mưa 120 phút tần suất 10% theo số liệu trạm Tân Sơn Nhất. (8) Mơ phỏng hiện trạng úng ngập tháng 10/2005 Mơ 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. Mơ hình tính được độ ngập và thời gian ngập do mưa và do triều (Hình 3-3).
19. 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 cĩ độ dốc từ thượng xuống hạ lưu tạo điều kiện tiêu thốt 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 mơ phỏng mức độ ngập hiện trạng. Khu vực cĩ ngập sâu do mưa là khu Bình Thới quận 11 cĩ độ sâu ngập do mưa khoảng 40 cm và khu Phú Lâm quận 6 cĩ độ ngập khoảng 30 cm. Thời gian ngập sâu khoảng gần 1 giờ.
20. 18 Hình 3-3: Biểu đồ mực nước ngập đường phố và triều trên kênh Tính tốn 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 tốn. Với kết quả tính tốn 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 tốn cũng như điều tra thấy úng ngập tồn lưu vực. Độ sâu ngập tính do mưa tốn được ở khu vực Quận 11 cĩ 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.
21. 19 Hình 3-4: Bản đồ ngập hiện trạng trận mưa tháng 10-2005 (9) Mơ 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 nơng 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 khơng thay đổi mặt cắt. Theo tính tốn 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 khơng đáng kể khoảng 0,1-0,2m.
22. 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 cĩ cao trình thấp ven cửa rạch THLG (như tại nút 248 và nút 249) lại gia tăng mức ngập thêm 10cm do dịng 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) Mơ phỏng phương án 2 (PA2) (mở rộng, nạo vét kênh và nâng cấp đường ống tiêu thốt nước) Đồng thời với việc nạo vét và mở rộng kênh THLG như PA1 là
23. 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 thốt nước mưa. Hình 3-6: Bản đồ phân bố ngập lưu vực THLG PA2 Kết quả tính tốn 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 khơng cho kết quả giảm ngập đáng kể. Nguyên nhân do khu vực Q11 khá xa kênh trục và khu vực Q6 cĩ cao trình mặt đất khá thấp và ảnh hưởng triều. Để giảm ngập khu vực này nhất thiết phải kết hợp với
24. 22 các phương án cống lớn ngăn triều khu vực Nam thành phố nhằm giảm mực nước triều trên kênh Đơi và kênh THLG. Bản đồ trình bày mức độ ngập theo PA2 trong Hình 3-6. Nhận xét ứng dụng DELTA-P: Mơ hình mơ phỏng diễn biến mực nước trên hệ thống kênh rất tốt do sử dụng mơ đun thuỷ lực sơng kênh đã được kiểm định. Mơ hình mơ đun cống cĩ ưu điểm thuận tiện lập sơ đồ, xử lý số liệu và tốc độ tính tốn nhanh. Kết quả mơ 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 tốn diễn biến ngập cĩ xu thế hợp lý theo các phương án cải tạo cống ngầm. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: (1) Mơ hình tốn thủy lực sơng kênh và cống ngầm đơ thị cĩ vai trị quan trọng, hiệu quả đối với kỹ thuật tiêu thốt nước chống ngập các đơ thị, đặc biệt là vùng cĩ 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 ngồi nước đã cĩ sự phát triển mạnh mẽ các phần mềm ứng dụng riêng cho mơ phỏng thuỷ lực sơng kênh tự nhiên (như Mike11, ISIS, VRSAP, SAL/DELTA, KOD, HYDRO- GIS, MK4) và mơ phỏng cống ngầm (như MOUSE, SWMM). Tuy nhiên, thực tế giải quyết bài tốn chống ngập úng đơ thị thường ngập do mưa lớn và ảnh hưởng triều và lũ rất phức tạp địi hịi giải pháp đồng bộ giữa cơng trình vịng ngồi và hệ thống cống ngầm tiêu nước. Do đĩ, sự nối ghép các mơ hình thuỷ lực sơng kênh và cống ngầm đang được quan tâm phát triển như sự tích hợp mơ hình thương mại Mike11-MOUSE trên thế giới cùng các mơ hình F28 và DELTA-P đang được nghiên cứu phát triển trong nước nhằm chủ
25. 23 động về cơng nghệ. (3) Mơ hình DELTA-P phát triển mới mơđun P tính tốn hệ thống cống ngầm đơ thị nối ghép với mơ hình thủy lực sơng kênh DELTA (tiền thân là mơ hình SAL) cĩ thuật tốn mạnh giải được hệ thống lớn với tốc độ tính tốn nhanh là một cơng cụ mơ hình thích hợp cho tính tốn hệ thống cơng trình tổng hợp tiêu thốt nước đơ thị vùng ảnh hưởng triều. (4) Mơ hình DELTA-P được thử nghiệm ứng dụng cho hệ thống sơng kênh vùng hạ lưu sơng Đồng Nai-Sài Gịn với kết quả kiểm nghiệm mực nước rất tốt và hệ thống cống ngầm thuộc lưu vực kênh Tân Hĩa-Lị Gốm thuộc TP Hồ Chí Minh cĩ 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 đơ thị. (5) Kết quả tính tốn 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 tốn mơ 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 khơng gây ngập úng (ngày 09-12/10). (6) Phương án tính tốn nạo vét kênh Tân Hĩa-Lị Gốm nhằm tăng khả năng tiêu nước của kênh làm giảm mực nước đầu nguồn kênh Tân Hĩa-Lị Gốm, làm giảm mức độ ngập úng cho một số vùng phía thượng lưu do cống tiêu thốt tốt hơn. Phương án này vẫn chưa cho kết quả giảm ngập úng do mưa vì cống vẫn tiêu nước kém, vùng ngập triều cĩ xu thế gia tăng vì thủy triều thâm nhập vào vùng cửa rạch Tân Hĩa-Lị Gốm tốt hơn. (7) Phương án cải tạo kênh và nâng cấp hệ thống cống thốt 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 Hĩa-Lị Gốm do ảnh hưởng triều nên vẫn cịn úng ngập. (8) Kết quả ứng dụng mơ hình DELTA-P để hồn nguyên và mơ
26. 24 phỏng phương án tiêu nước đơ thị khu vực Tân Hĩa-Lị Gốm đã cho kết quả hợp lý và thể hiện tính ưu việt của mơ hình trong tính tốn nghiên cứu tiêu thốt nước đơ thị khu vực TP Hồ Chí Minh nĩi riêng và đơ thị vùng triều nĩi chung. (9) Để giải quyết ngập úng triệt để vùng Tân Hĩa-Lị Gốm cần cĩ biện pháp kiểm sốt triều trên sơng kênh như phương án chống ngập vịng trong do Bộ NN&PTNT đang thực hiện là hồn tồn thực hiện được bằng mơ 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) Mơ hình DELTA-P cần tiếp tục hồn thiện tính năng quản lý cơ sở dữ liệu địa hình theo nhánh và thêm hoặc bớt một hoặc vài nhánh sơng mà khơng đảo lộn hệ thống nhánh sơng trong sơ đồ. Các cơng trình đặc biệt và cĩ quy trình vận hành phức tạp cần được bổ sung vào mơ hình. Giao diện mơ hình cần tiếp tục hồn thiện và biên soạn tài liệu hướng dẫn sử dụng mơ hình, phổ biến rộng rãi. (2) Về nguyên tắc kết nối trực tiếp của cống ngầm vào nút sơng kênh và nguyên tắc cân bằng mực nước tại nút cĩ khả năng xảy ra trường hợp mực nước kênh thấp hơn đáy cống. Trong trường hợp đĩ lưu lượng qua cống theo tính tốn sẽ nhỏ thực tế và việc nối kết từ cống ra kênh cần được kiểm nghiệm thêm hoặc cĩ thể thay bằng kết cấu dịng qua cơng trình mà DELTA-P cĩ thể giải quyết được. (3) Vùng nghiên cứu điển hình Tân Hĩa-Lị Gốm cần cĩ tài liệu đo đạc mực nước, lưu lượng dịng chảy trong kênh để làm tài liệu kiểm nghiệm mơ hình tốt hơn. (4) Tính tốn các phương án chống ngập khu vực Tân Hĩa-Lị Gốm với 2 phương án cục bộ chưa giải quyết được vấn đề úng ngập trong lưu vực. Cần ứng dụng tính tốn 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 Hĩa-Lị Gốm.
27. 25 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Là tác giả Nơi cơng bố Năm Tên cơng trình TT hay đồng (Tên tạp chí đã cơng (Bài báo, cơng trình) tác giả đăng cơng trình) bố 1 Một phương pháp tính Đồng tác Tuyển tập cơng 2011 tiêu nước hệ thống giả trình Hội nghị cống ngầm thành phố khoa học Cơ học Hồ Chí Minh Thủy Khí tồn quốc năm 2010 2 Ứng dụng thuật tốn và Đồng tác Tạp chí Khoa 2011 tích hợp GIS để nâng giả học Nơng nghiệp cao hiệu quả giải bài và PTNT số tốn thủy lực và chất 2+3/2011 lượng nước sơng kênh 3 Đề xuất các giải pháp Tác giả Tuyển tập báo 2011 quản lý xây dựng đê cáo hội nghị bao và đường giao tổng kết Chương thơng nhằm giảm thiểu trình KHCN tác hại lũ xuyên biên trọng điểm cấp giới Việt Nam- Nhà nước mã số Campuchia KC.08/06-10. 4 Comparision of two Đồng tác Vietnam Journal 2008 hydrological model giả of Mechanics, simulations using VAST, Vol.30, NAM and No.1 XINANJIANG for Nong Son catchment 5 Potential evapo- Đồng tác Vietnam Journal 2008 transpiration estimation giả of Mechanics, and its effect on VAST, Vol.30, hydrological model No.1 response 6 Mơ hình thủy động lực Tác giả Tạp chí Khoa 2002 học mơ phỏng chất học Nơng nghiệp lượng nước vùng hạ và PTNT số lưu sơng Đồng Nai-SG tháng 8/2002