Lựa chọn thời lượng mưa thiết kế để mô phỏng kiểm tra hệ thống thoát nước mưa đô thị
BÀI BÁO KHOA HỌC
LỰA CHỌN THỜI LƯỢNG MƯA THIẾT KẾ
ĐỂ MÔ PHỎNG KIỂM TRA HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MƯA ĐÔ THỊ
Nguyễn Tuấn Anh1, Lê Văn Chín1
Tóm tắt: Bài báo này giới thiệu kết quả nghiên cứu lựa chọn thời lượng mưa thiết kế để mô phỏng
kiểm tra hệ thống thoát nước mưa đô thị. Nghiên cứu xem xét bẩy mô hình mưa thiết kế dạng khối
xen kẽ của Chow với thời lượng mưa là 0,5h, 1h, 2h, 3h, 6h, 12h và 24 giờ được xác định từ tài liệu
mưa tự ghi tại trạm Láng, Hà Nội. Nghiên cứu sử dụng phương pháp so sánh lưu lượng xác định từ
mô phỏng mưa-dòng chảy trận mưa thiết kế và mô phỏng mưa-dòng chảy toàn liệt mưa quá khứ
trên các lưu vực con khác nhau của một lưu vực thoát nước ở Hà Nội. Kết quả nghiên cứu cho thấy,
thời lượng mưa thiết kế phù hợp phụ thuộc vào diện tích của lưu vực thoát nước, lưu vực càng lớn
thì thời lượng mưa thiết kế phù hợp càng dài. Sơ bộ có thể chọn thời lượng mưa thiết kế là 0,5h đối
với lưu vực có diện tích nhỏ hơn 3ha, chọn thời lượng là 6h đối với lưu vực có diện tích khoảng từ
20 đến 50 ha; chọn thời lượng 24h đối với các lưu vực có diện tích khoảng từ 200ha đến 300ha.
Từ khóa: Thời lượng mưa thiết kế, lưu lượng thiết kế, thoát nước mưa đô thị.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ1
thống tiêu nước mưa là các thông số mưa tạo ra
Theo Tiêu chuẩn thiết kế hệ thống thoát nước lưu lượng đỉnh có giá trị gần nhất với giá trị
đô thị hiện hành (TCVN 7957, 2008), khi tính lưu lượng đỉnh được xác định từ liệt quan trắc
toán thiết kế các hệ thống thoát nước mưa đô dòng chảy hoặc từ mô phỏng toàn liệt quá trình
thị, người thiết kế cần thực hiện 2 bước, bước mưa - dòng chảy của các trận mưa quá khứ
thứ nhất: tính lưu lượng thiết kế theo công thức tương ứng với tần suất thiết kế. Trong thực tế
cường độ giới hạn; bước thứ hai: Sử dụng mô thường không có số liệu quan trắc dòng chảy
hình toán để tính toán mưa – dòng chảy và diễn đô thị trong nhiều năm vì vậy có thể sử dụng
toán thủy lực trong hệ thống thoát nước nhằm phương pháp mô phỏng toàn liệt bằng mô hình
kiểm tra lại kết quả sơ bộ ở bước thứ nhất. Khi toán để xác định các thông số hợp lý của trận
mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy trong hệ mưa thiết kế.
thống thoát nước cần sử dụng một trận mưa
thiết kế làm biên vào hệ thống. Tiêu chuẩn thiết
kế này quy định thời lượng của trận mưa thiết
kế có thể chọn từ 3h đến 6h. Tuy nhiên trong
thực tế, nhiều tác giả đã chọn thời lượng mưa
thiết kế là 12 giờ, 24 giờ hoặc dài hơn nữa
(Nguyễn Song Dũng, 2005).
Theo các tác giả Cao (1993), Despotovic
(1996), Alfieri (2007),.. các thông số cơ bản của
trận mưa thiết kế (tổng lượng, thời lượng, phân
bố mưa theo thời gian) hợp lý nhất dùng để xác
định quy mô, kích thước của các công trình dẫn
và tháo nước (kênh, cống, trạm bơm,..) trong hệ
Để cung cấp thêm cơ sở khoa học lựa chọn
thời lượng mưa thiết kế, bài báo này giới thiệu
kết quả nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của thời
lượng trận mưa thiết kế đến lưu lượng của dòng
chảy trong một hệ thống thoát nước mưa đô thị
ở Hà Nội, từ đó kiến nghị lựa chọn thời lượng
mưa thiết kế hợp lý khi tính toán thiết kế hệ
thống thoát nước mưa đô thị.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để xác định thời lượng hợp lý nhất của trận
mưa thiết kế, trong nghiên cứu này các tác giả
sử dụng phương pháp so sánh kết quả tính lưu
lượng từ phương pháp mô phỏng mưa – dòng
chảy trận mưa thiết kế và mô phỏng toàn liệt các
trận mưa trong quá khứ (Cao, 1993), (Despotovic,
1 Trường Đại học Thủy lợi.
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016)
114
1996), (Alfieri, 2007) và (Nguyễn Tuấn Anh,
2015). Phương pháp này bao gồm các bước sau
đây:
(1) Xây dựng các mô hình mưa thiết kế với
thời lượng mưa khác nhau để lựa chọn.
(4) Mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy cho
các trận mưa thiết kế đã được xác định ứng với
tần suất thiết kế P, từ đó xác định được các lưu
lượng đỉnh tại các vị trí tương ứng với các trận
mưa thiết kế khác nhau gọi là QTK(P)
.
Ở đây tài liệu mưa tự ghi tại trạm Láng, Hà
Nội và mô hình mưa phân bố dạng khối xen kẽ
(mô hình mưa thiết kế của Chow) được chọn để
nghiên cứu. Theo các nghiên cứu của các tác giả
nêu trên, mô hình mưa khối xen kẽ cho kết quả
tính toán lưu lượng thiên về an toàn, đã được
nhiều nước trên thế giới ứng dụng trong tính
toán thoát nước đô thị. Ở Việt Nam, đã ứng
dụng phương pháp này cho dự án cải tạo hệ
thống thoát nước sông Tô Lịch, Hà Nội.
(2) Chọn một lưu vực thoát nước điển hình
gần trạm đo mưa để nghiên cứu tính toán.
Lưu vực thoát nước mưa Quận Thanh Xuân,
TP Hà Nội (phạm vi lưu vực sông Tô Lịch –
xem hình 1) cách trạm mưa Láng 1,5 km được
lựa chọn là lưu vực nghiên cứu. Toàn bộ lưu
vực có diện tích tự nhiên 366 ha và không có hồ
điều hòa. Cao trình mặt đất phổ biến ở cao độ
+5,0 ÷ +6,0 m.
(5) Mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy cho
các trận mưa trong các năm đã đo đạc mưa. Từ
kết quả mô phỏng xác định được lưu lượng đỉnh
(Qmax) của từng trận mưa tại các vị trí xác định
trước.
(6) Từ lưu lượng đỉnh của các trận mưa trong
năm, xác định được lưu lượng đỉnh lớn nhất
(Qmaxmax) trong năm tại các vị trí đó. Tính tần
suất với liệt Qmaxmax của các năm mô phỏng ứng
với tần suất thiết kế P xác định được lưu lượng
đỉnh tại các vị trí ứng với tần suất thiết kế gọi là
QTL(P)
.
(7) So sánh kết quả lưu lượng đỉnh tại cùng
một vị trí đã xác định ở trên từ mô phỏng mưa
toàn liệt và mô phỏng mưa thiết kế qua chỉ số
sai số tương đối ƐQ:
QTK(P) Q
(1)
Q
TL(P) .100%
QTL(P)
Thời lượng mưa thiết kế nào cho giá trị tuyệt
đối sai số |ƐQ| nhỏ nhất thì đó là thời lượng mưa
thiết kế thích hợp nhất cho vị trí đó. Nghiên cứu
trên vài vị trí trong hệ thống có thể rút ra được
kết luận về thời lượng mưa thiết kế thích hợp
nhất.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
- Xây dựng các mô hình mưa thiết kế với
thời lượng khác nhau
Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp khối
xen kẽ của Chow (1988) để xây dựng 07 mô
hình mưa thiết kế ứng với thời lượng mưa 0,5h,
1h, 2h, 3h, 6h, 12h và 24h, tần suất P=10%
(xem các hình 1÷7). Các mô hình mưa thiết kế
khối xen kẽ với bước thời gian là 10 phút được
xây dựng dựa trên đường quan hệ lượng mưa -
thời lượng mưa - tần suất (DDF) tại trạm Láng,
Hà Nội được giới thiệu trong bài báo của tác giả
(Nguyễn Tuấn Anh, 2009).
Hình 1. Vị trí hệ thống thoát nước
Quận Thanh Xuân – Lưu vực sông Tô Lịch
(3) Lựa chọn mô hình để mô phỏng quá trình
mưa-dòng chảy trên lưu vực.
Mô hình toán thủy văn, thủy lực SWMM
(Storm Water Management Model) của Cơ quan
bảo vệ môi trường Hoa Kỳ được lựa chọn để mô
phỏng quá trình mưa-dòng chảy cho lưu vực trên.
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016)
115
Hình 2. Mô hình mưa thiết kế với gian mưa 0,5 giờ.
Hình 3. Mô hình mưa thiết kế với gian mưa 1 giờ.
Hình 4. Mô hình mưa thiết kế với gian mưa 2 giờ.
Hình 5. Mô hình mưa thiết kế với gian mưa 3 giờ.
Hình 6. Mô hình mưa thiết kế với gian mưa 6 giờ.
Hình 7. Mô hình mưa thiết kế với gian mưa 12 giờ
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016)
116
Hình 8. Mô hình mưa thiết kế với gian mưa
24 giờ
- Lập sơ đồ tính toán trong mô hình SWMM
Lưu vực thoát nước được mô phỏng trong
SWMM với 101 nút, 98 đoạn cống và 41 tiểu
lưu vực với tổng diện tích 366 ha. Nước mưa
thoát ra tại các cửa xả CX1, CX2, CX3, CX4,
CX5 trên sông Tô Lịch và CX6 sang lưu vực
bên cạnh (xem Hình 9).
Hình 9. Sơ đồ hệ thống thoát nước nghiên cứu
trong SWMM
Tại lưu vực thoát nước này không có trạm
quan trắc lưu lượng dòng chảy, do vậy để xác
định các tham số mô hình, chúng tôi sử dụng
thông tin từ khảo sát thực địa, các bảng tra
thông số trong tài liệu (Dương Thanh Lượng,
2010) và tham khảo kết quả nghiên cứu trên lưu
vực thoát nước sông Tô Lịch (Nguyễn Song
Dũng, 2005).
Bảng 1. Diện tích phụ trách của các cửa xả
Diện tích
phụ trách (ha)
- Mô phỏng các trận mưa thiết kế tại các vị
trí tính toán
Cửa xả
Ghi chú
Các cửa xả được lựa chọn là các vị trí tính
toán. Sử dụng phần mềm SWMM mô phỏng hệ
thống thoát nước với biên mưa là các trận mưa
thiết kế, biên dưới tại các cửa xả (CX) được giả
thiết chảy tự do; chọn bước thời gian mô phỏng
là 2,0 giây, bước thời gian biểu thị kết quả là 10
phút, thời gian mô phỏng là 48 giờ; chọn mô
hình Horton để tính thấm trên bề mặt lưu vực,
chọn phương pháp mô phỏng là động lực học.
Kết quả thể hiện tại bảng sau đây:
Cửa xả 1
Cửa xả 2
Cửa xả 3
Cửa xả 4
Cửa xả 5
34,1
Đổ ra sông Tô Lịch
Đổ ra sông Tô Lịch
Đổ ra sông Tô Lịch
Đổ ra sông Tô Lịch
Đổ ra sông Tô Lịch
33,4
244,0
2,89
30,9
Đổ sang lưu vực
bên cạnh, rồi chảy
ra sông Tô Lịch
Cửa xả 6
20,6
Bảng 2. Lưu lượng thiết kế tương ứng các mô hình mưa thiết kế
QTK(P) (m3/s), P = 10%
Diện tích
phụ trách
(ha)
34,1
33,4
244,0
2,89
30,9
Vị trí
tính toán
MH 0,5h MH 1h MH 2h MH 3h
MH 6h MH 12h MH 24h
(1)
(2)
(3)
8,21
8,31
34,02
1,26
5,72
4,97
(4)
(5)
9,99
(6)
(7)
10,21
8,44
38,04
1,301
6,899
5,279
Cửa xả 1
Cửa xả 2
Cửa xả 3
Cửa xả 4
Cửa xả 5
Cửa xả 6
7,07
7,31
28,78
1,243
4,82
4,71
7,95
8,22
32,19
1,258
5,36
4,91
9,935
8,422
37,32
1,280
6,676
5,254
10,09
8,435
37,83
1,293
6,764
5,266
8,427
37,66
1,285
6,665
5,251
20,6
Từ bảng trên thấy, lưu lượng thiết kế tăng lượng càng tăng.
dần từ mô hình mưa 0,5h đến mô hình mưa 24h,
nghĩa là thời gian mưa thiết kế càng dài thì lưu
- Mô phỏng các trận mưa trong quá khứ
Sử dụng tài liệu mưa tự ghi bước thời gian 10
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016)
117
phút tại trạm khí tượng Láng trong các tháng
Từ các chuỗi lưu lượng đỉnh thu được sau
mùa mưa từ năm 1985 đến năm 2004 (đây cũng khi chạy mô hình SWMM với các trận mưa
là tài liệu mưa dùng để xây dựng các đường trong quá khứ, mỗi năm chọn một giá trị lưu
DDF ở trên) làm biên mưa trong mô hình lượng đỉnh lớn nhất (Qmaxmax), sau đó tính toán
SWMM để mô phỏng quá trình mưa – dòng tần suất liệt số liệu này xác định được lưu
chảy của các trận mưa trong các năm quá khứ. lượng thiết kế tương ứng tần suất P=10%
Hình 10 dưới đây biểu thị đường quá trình (bảng 3).
cường độ mưa theo thời gian của trận mưa rào
ngày 27/7/1985.
Bảng 3. Lưu lượng thiết kế tần suất 10%
xác định từ mô phỏng các trận mưa quá khứ
Vị trí
QTL(P) (m3/s)
10,01
8,43
Cửa xả 1
Cửa xả 2
Cửa xả 3
Cửa xả 4
Cửa xả 5
Cửa xả 6
41,6
1,15
6,65
5,19
- So sánh kết quả tính lưu lượng thiết kế từ
mô phỏng mưa toàn liệt và mô phỏng mưa thiết
kế qua chỉ số sai số ƐQ
Hình 10. Quá trình mưa theo thời gian
của trận mưa ngày 27/7/1985
Bảng 4. Kết quả tính sai số |ƐQ| (%)
Giá trị tuyệt đối của sai số |εQ| (%)
Diện tích
lưu vực
(ha)
34,1
33,4
244,0
2,89
30,9
Vị trí
MH 0,5h MH 1h
MH 2h
(3)
MH 3h
(4)
MH 6h MH 12h MH 24h
(1)
(2)
(5)
0,10
0,02
9,37
11,73
0,20
1,16
(6)
1,05
0,13
8,96
12,43
1,69
1,45
(7)
2,03
0,17
8,46
13,13
3,72
1,70
Cửa xả 1
Cửa xả 2
Cửa xả 3
Cửa xả 4
Cửa xả 5
Cửa xả 6
29,37
13,29
30,82
8,09
20,58
2,49
22,62
9,39
17,98
1,42
18,22
9,57
13,98
4,24
0,60
0,12
10,19
11,3
0,36
1,22
27,52
9,25
19,40
5,39
20,6
Từ kết quả tính toán trên cho thấy:
Đối với lưu vực tương ứng với cửa xả 4, sai
Đối với các lưu vực tương ứng với các cửa số tăng dần từ mô hình mưa thiết kế 0,5h đến
xả 1, 2, 5, 6 có diện tích từ 20,6 đến 34,1 ha: sai mô hình mưa 24h. Mô hình mưa phù hợp nhất là
số |ƐQ| giảm dần từ mô hình mưa 0,5h đến mô mô hình mưa 0,5h. Đây là lưu vực có diện tích
hình mưa 6h và tăng dần từ mô hình mưa 6h đến nhỏ nhất trong 06 lưu vực xem xét và tương ứng
mô hình mưa 24h và mô hình mưa phù hợp có thời lượng mưa hợp lý ngắn nhất.
nhất, tạo ra sai số nhỏ nhất là mô hình mưa có
thời lượng mưa là 6h;
Kết quả cũng cho thấy thời lượng mưa thiết
kế hợp lý có xu thế tăng theo diện tích lưu vực
Đối với lưu vực tương ứng với cửa xả 3, sai thoát nước. Nếu xem xét thêm các mô hình mưa
số giảm dần từ mô hình mưa thiết kế 0,5h đến thiết kế có thời lượng trong khoảng từ 3h đến 6h
mô hình mưa 24h. Mô hình mưa phù hợp nhất là và từ 6h đến 12h thì xu thế này có thể rõ rệt hơn
mô hình mưa 24h.
(xem hình 11).
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016)
118
báo này đã nghiên cứu bẩy thời lượng mưa thiết
kế là 0,5h, 1h, 2h, 3h, 6h, 12h và 24h với cùng
mô hình mưa khối xen kẽ sử dụng tài liệu mưa
trạm Láng, Hà Nội. Kết quả cho thấy, thời
lượng mưa thiết kế phù hợp phụ thuộc vào diện
tích của lưu vực thoát nước, lưu vực càng lớn
thì thời lượng mưa thiết kế phù hợp càng dài. Sơ
bộ có thể chọn thời lượng mưa thiết kế là 0,5h
đối với lưu vực có diện tích nhỏ hơn 3ha, chọn
thời lượng là 6h đối với lưu vực có diện tích
khoảng từ 20 đến 50 ha; chọn thời lượng 24h
đối với các lưu vực có diện tích khoảng từ
200ha đến 300ha.
Hình 11. Quan hệ giữa thời lượng mưa thiết kế
hợp lý với diện tích lưu vực thoát nước
Do hạn chế về thời gian, bài báo mới chỉ
4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy trong nghiên cứu bẩy thời lượng mưa thiết kế khác
hệ thống thoát nước mưa đô thị tương ứng với nhau với mô hình mưa khối xen kẽ cho một
trận mưa thiết kế để kiểm tra quy mô, kích trạm mưa và một lưu vực thoát nước đô thị
thước, năng lực của hệ thống thoát nước là việc không có hồ điều hòa ở Hà Nội. Để có thể đề
không thể thiếu trong công tác thiết kế các hệ xuất một tiêu chuẩn về thời lượng mưa thiết kế
thống thoát nước mưa đô thị. Thời lượng của dùng để mô phỏng các hệ thống thoát nước mưa
trận mưa thiết kế có ảnh hưởng tới kết quả tính đô thị ở Việt Nam cần thiết phải có thêm các
toán hệ thống, vì vậy, việc nghiên cứu lựa chọn nghiên cứu cho nhiều thời lượng mưa, nhiều mô
thời lượng mưa thiết kế phù hợp để nâng cao độ hình mưa, nhiều lưu vực với đặc trưng khác
chính xác của kết quả tính toán là cần thiết. Bài nhau và nhiều trạm mưa khác nhau.
V. TÀI LIỆU THAM KHẢO
Alfieri, L., Laio F., Claps P. (2007). A simulation experiment for optimal design hyetograph
selection, Hydrological Processes. DOI: 10.1002/hyp.6646.
Nguyễn Tuấn Anh (2009). Xây dựng mối quan hệ lượng mưa – thời gian mưa – tần suất (DDF) để
tính toán mưa tiêu thiết kế cho vùng đồng bằng Bắc Bộ, Tạp chí KHKT Thủy lợi và Môi trường, số
27 (11/2009).
Nguyen T. A., G. Grossi and R. Ranzi (2015). Design storm for Mixed urban and agricultural
drainage systems in the Northern Delta in Vietnam, Journal of Irrigation and Drainage Engineering,
ASCE, DOI: 10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0000962.
Cao, C., Piga E., Saba A. (1993). Design storm calibration through continuous simulation. Proc. 6th
Int. Conf. Urban storm Drainage, Niagara Falls, Vol. I, pp. 318-323.
Chow, V.T., Maidment D.R. and L.W. Mays. (1988). Applied hydrology, Mc Graw-Hill. Chapter 14.
Despotovic, J., Petrovic J., Vukmirovic V. (1996). Some considerations of urban drainage design
pratice using experimental data, Atmospheric Research 42, 279-292.
Nguyễn Song Dũng (2005). Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp quản lý điều hành hệ thống thoát
nước sông Tô Lịch, TP Hà Nội, Luận án tiến sĩ, Đại học Thủy Lợi.
Dương Thanh Lượng (2010). Giáo trình mô phỏng mạng lưới thoát nước bằng SWMM, Nhà xuất
bản xây dựng, Hà Nội.
Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 7957: 2008, Thoát nước – Mạng lưới và công trình bên ngoài – Tiêu
chuẩn thiết kế.
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016)
119
Abstract:
SELECTION OF DURATION OF DESIGN STORM TO SIMULATE URBAN STORM
WATER DRAINAGE SYSTEM
This paper presents a procedure to select duration of design storm to simulate urban storm water
drainage systems. The study considered seven durations (0,5h, 1h, 2h, 3h, 6h, 12h and 24h) of the
alternating block design storms derived from DDFs of Lang raingauge station, Hanoi, Vietnam.
Using the combination of the design storm method and continuous simulation approach for a
typical urban drainage basin in Hanoi, the study defined suitable duration of design hyetograph for
different catchments such as duration of 0,5h for areas less than 3ha, 6h for areas between 20ha
and 50ha, 24h for areas from 200ha up to 300ha.
Keywords: duration of design storm, design flow rate, urban drainage.
BBT nhận bài: 20/12/2015
Phản biện xong: 25/3/2016
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016)
120
7 trang
10520
Free
Bạn đang xem tài liệu "Lựa chọn thời lượng mưa thiết kế để mô phỏng kiểm tra hệ thống thoát nước mưa đô thị", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- lua_chon_thoi_luong_mua_thiet_ke_de_mo_phong_kiem_tra_he_tho.pdf
