Đề tài Ứng dụng phần mềm SWMM tính toán thoát nước mưa, nước thải cho khu tái định cư xã Vĩnh Lộc B, huyện Bình Chánh, Thành phố Hồ Chí Minh

LỜI GIỚI THIỆU Mục lục ĐẶNG XUÂN DŨNG (S6 – 45H) Giáo viên hướng dẫn : KS. TRIỆU ÁNH NGỌC Tp Hoà Chí Minh. Tháng 5 năm 2008 LÊ THỊ THANH TRÚC (S6 – 45H) Sinh viên thực hiện : TỐNG ĐÌNH QUYẾT (S6 – 45H) HUYỆN BÌNH CHÁNH – THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH MƯA – NƯỚC THẢI CHO KHU TÁI ĐỊNH CƯ XÃ VĨNH LỘC B SWMM TÍNH TOÁN THOÁT NƯỚC ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN CƠ SỞ II ---------[ \---------- BỘ NÔNG NGHIỆP & PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI www.tainguyennuoc.vn 2 MỤC LỤC MỤC LỤC ..................................................................................................................................2 LỜI MỞ ĐẦU ...........................................................................................................................3 U PHẦN I : NỘI DUNG ĐỀ TÀI...........................................................................................5 I. Thông tin chung đề tài................................................................................................................ 5 II . Nội dung khoa học công nghệ của đề tài :................................................................................ 5 PHẦN II : LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ MẠNG LƯỚI THOÁT NƯỚC..............................7 I. Lý Thuyết Cơ Bản Về Mạng Lưới Thoát Nước ......................................................................... 7 1. Nhiệm vụ của hệ thống thoát nước và các loại nước thải :....................................................................... 7 2. Nguyên tắc vạch tuyến mạng lưới thoát nước: ........................................................................................ 8 II. Tính toán về mạng lưới thoát nước ........................................................................................... 9 PHẦN III : GIỚI THIỆU PHẦN MỀM .............................................................................11 I . Giới thiệu phần mềm SWMM :................................................................................................ 11 Mô hình toán SWMM (Storm Water Management Model ) là mô hình động lực học mô phỏng mưa – dòng chảy cho các khu vực đô thị cả về chất và lượng, và tính toán quá trình chảy tràn từ mỗi lưu vực bộ phận đến cửa nhận nước của nó. ................................................................................................................ 11 II . Khả năng của phần mềm SWMM :........................................................................................ 11 Mục đích ứng dụng mô hình toán SWMM cho hệ thống thoát nước được triển khai nhằm : .................... 13 Những ứng dụng điển hình của SWMM : .................................................................................................. 13 III . Các thuật toán trong SWMM : ............................................................................................. 14 1.Tính toán lượng mưa hiệu quả................................................................................................................. 15 2.Tính toán thấm, lượng thấm: ................................................................................................................... 16 3.Tính toán dòng chảy mặt ......................................................................................................................... 18 IV. Cấu tạo mạng lưới thoát nước trong SWMM ....................................................................... 19 V. Giao diện làm việc của mô hình SWMM ................................................................................ 20 PHẦN IV : ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWMM TÍNH TIÊU THOÁT NƯỚC CHO KHU TÁI ĐỊNH CƯ XÃ VĨNH LỘC B – HUYỆN BÌNH CHÁNH - THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH21 I. Tổng quan về khu vực thiết kế : ................................................................................................ 21 2. Hiện trạng chuẩn bị kỹ thuật và thoát nước mưa: .................................................................... 21 II. Mô phỏng mạng lưới thoát nước bằng mô hình trong SWMM............................................ 22 1. Các thông số đầu vào.............................................................................................................................. 22 2. Các bước thực hiện mô phỏng một Project : ........................................................................................ 24 Hình 10: Sơ đồ mô phỏng mạng lưới thoát nước trong mô hình SWMM ................................................... 27 III. Các phương án tính toán......................................................................................................... 36 IV. Nội dung tính toán ................................................................................................................... 37 PHẦN V : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...........................................................................55 Kết luận:.......................................................................................................................................... 55 Kiến nghị :....................................................................................................................................... 57 CÁC TÀI LIỆU ĐÃ THAM KHẢO ........................................................................................58 www.tainguyennuoc.vn 3 LỜI MỞ ĐẦU Trong thời đại hiện nay “ môi trường và phát triển bền vững ” là những vấn đề được nhiều nước và nhiều tổ chức quốc tế quan tâm. Ở một khía cạnh nào đó để góp phần đảm bảo cho môi trường không bị suy thoái và phát triển một cách bền vững thì phải chú ý giải quyết vấn đề “ xử lý nước thải và vệ sinh môi trường ” một cách hợp lý “Thoát nước thải sinh hoạt ” là một vấn đề cấp bách cho mọi người, mọi nước trên thế giới. Vấn đề ô nhiễm nước đã làm cho loài người mắc nhiều bệnh tật mà đáng lẽ có thể khắc phục được hoặc không bị mắc phải, nếu như có hệ thống nước thải một cách thích hợp. Vì vậy: Đề tài : “ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWMM TRONG TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG THỦY LỰC MẠNG LƯỚI THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ” được viết nhằm nghiên cứu các kiến thức cần thiết trong lĩnh vực thoát nước đô thị đang được ứng dụng trong thực tế để tiêu thoát nước . Đề tài bao gồm các phần chính sau: - Mở đầu. - Lý thuyết cơ bản về mạng lưới thoát nước. - Giới thiệu về SWMM. - Ứng dụng phần mền SWMM - Phân tích kết quả. - Kết luận. Mục đích của đề tài nhằm cung cấp cho các bạn sinh viên và những người quan tâm những kiến thức cần thiết trong ngành thoát nước và có được phương pháp tính toán hiệu quả. Đề tài đã được xem xét, mô tả, phân tích theo các chỉ tiêu, chất lượng nước chảy trong cống, để biết khả năng tiêu thoát nước khu vực . Đề tài đưa ra từ các phương pháp tính toán tiêu thoát nước. Qua đó ta có thể hiểu thêm về các cách tính toán kỹ thuật chuyên ngành cấp thoát nước và vệ sinh đáp ứng yêu cầu của người sử dụng. Hy vọng là đề tài này sẽ có ích cho các sinh viên và những người quan tâm trong học tập, nghiên cứu khoa học và tính toán tiêu thoát nước. www.tainguyennuoc.vn 4 Do thời gian ngắn, khuôn khổ chương trình hẹp, kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế, nên đề tài này chắc chắn còn nhiều hạn chế. Rất mong nhận được đóng góp xây dựng của các bạn sinh viên và những người quan tâm để đề tài được hữu ích hơn cho công tác nghiên cứu và ứng dụng sau này. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Triệu Ánh Ngọc đã tận tình hướng dẫn và các giáo viên chuyên môn khác đã chỉ bảo và góp ý kiến cho chúng em hoàn thành tốt đề tài này. www.tainguyennuoc.vn 5 PHẦN I : NỘI DUNG ĐỀ TÀI I. Thông tin chung đề tài 1.Tên đề tài : “ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWMM TRONG TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG MẠNG LƯỚI THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ “ 2. Giáo viên hướng dẫn : Kỹ sư : Triệu Ánh Ngọc 3. Sinh viên thực hiện : Tống Đình Quyết Lớp : S7 - 46H – Cơ sở II – Đại Học Thủy Lợi Đặng Xuân Dũng & Lê Thị Thanh Trúc Lớp : S6 - 45H – Cơ sở II – Đại Học Thủy Lợi 4. Thời gian thực hiện : Từ ngày 04/12/2007 đến 25/04/2008 II . Nội dung khoa học công nghệ của đề tài : 1. Mục tiêu của đề tài: E Nhằm giúp cho sinh viên có cơ hội tiếp cận các vấn đề khoa học, biết vận dụng, bổ sung, nâng cao các kiến thức đã được học trong nhà trường. E Nhằm nâng cao khả năng nghiên cứu khoa học trong sinh viên. E Đi sâu nghiên cứu môn học “Thoát nước”, tập trung trong việc xây dựng thuật toán tính tiêu thoát nước đô thị. E Nhằm tạo ra một công cụ tính toán tiêu thoát nước linh hoạt nhanh chóng nhưng vẫn đảm bảo tính chính xác cao. E Kiểm tra khả năng tiêu nước tự chảy của đuờng ống, diễn biến dòng chảy trong cống theo từng thời đoạn nhất định từ đó đề ra biện pháp khắc phục nếu có sự cố xảy ra. 2. Sự cần thiết của đề tài Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội của đất nước, đời sống người dân, nhất là ở các đô thị, đã được cải thiện rất nhiều. Nhu cầu xây dựng tăng nhanh, mạnh cùng với nhu cầu tiện nghi để bảo đảm chất lượng cuộc sống. Khu vực nghiên cứu dự án đang trong giai đoạn xây dựng, đô thị hoá khá nhanh, nhưng hầu như chưa có hệ thống thoát nước. Nhiều khu vực thường bị ngập úng nặng nề về mùa mưa gây nhiều thiệt hại cho người dân và ô nhiễm môi trường trầm trọng. Trên địa bàn www.tainguyennuoc.vn 6 vẫn đang tiến hành xây dựng các đường cống thoát nước để phục vụ cho các nhu cầu trước mắt. Song do chưa có quy hoạch cụ thể hoặc dự án, nên việc xây dựng đều có tính chất chắp vá, đối phó, cục bộ, nếu cứ tiếp tục sẽ gây nên các lãng phí và rất khó khăn cho việc cải tạo sau này. Nhu cầu về thoát nước đã dần trở nên bức bách, đòi hỏi hệ thống thoát nước phải sớm được xây dựng. Dự án này sẽ giúp cho việc xây dựng hệ thống thoát nước hợp lý, hoàn thiện và có hiệu quả hơn trên địa bàn toàn khu vực. 3. Phương pháp nghiên cứu của đề tài E Tìm hiểu về thuật toán được sử dụng trong phần mềm, khả năng mô phỏng thủy lực trong thoát nước. Phạm vi ứng dụng của đề tài. E Thu thập các tài liệu địa hình, địa chất, khí tuợng thủy văn… của lưu vực tính toán, trên cơ sở đó tiến hành vạch tuyến mạng lưới thoát nuớc, tính toán lượng mưa tiêu ứng với tần suất 90%, lượng nước thải của lưu vực. E Ứng dụng phần mềm SWMM để kiểm tra khả năng tự chảy của đường ống, dao động mực nước trong các công trình( hồ), ảnh hưởng của thủy triều tới lưu vực. 4. Phạm vi nghiên cứu của đề tài : E Nghiên cứu mô hình thuật toán được sử dụng tính toán trong phần mềm, và ứng dụng khả năng mô phỏng của phần mềm để tính toán cho mạng thoát nước đô thị. E Tính toán tiêu thoát nước cho 1 lưu vực đô thị (Trong đề tài này là khu dân cư tái định cư xã Vĩnh Lộc B – huyện Bình Chánh – Tp Hồ Chí Minh). www.tainguyennuoc.vn 7 PHẦN II : LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ MẠNG LƯỚI THOÁT NƯỚC I. Lý Thuyết Cơ Bản Về Mạng Lưới Thoát Nước 1. Nhiệm vụ của hệ thống thoát nước và các loại nước thải : Do hoạt động hàng ngày của con người mà ở các đô thị và điểm dân cư tạo ra nhiều nguồn ô nhiễm có đặc tính khác nhau. Những nguồn ô nhiễm đó bao gồm các chất thải sinh lý của người, động vật nuôi và chất thải của quá trình sản xuất theo nước thải xả vào môi truờng bên ngoài. Nước cấp sau khi sử dụng vào mục đích sinh hoạt, sản xuất, nước mưa chảy trên các mái nhà, mặt đường, sân vườn…trở thành nước thải chứa nhiều hợp chất vô cơ, hữu cơ dễ bị phân hủy thối rữa và chứa nhiều vi trùng gây và truyền bệnh nguy hiểm. Nếu những loại nuớc thải này xả 1 cách bừa bải sẽ gây ô nhiễm môi trường nước, đất và không khí, nẩy sinh và lan truyền các thứ bệnh hiểm nghèo ảnh hưởng tới sức khỏe của con người. Mặt khác, nếu không thu gom vận chuyển đi thì có thể gây nên tình trạng ngập lụt trong các điểm dân cư xí nghiệp công nghiệp, làm hạn chế đất đai xây dựng, ảnh hưởng đến nền móng công trình gây trở ngại giao thông và tác hại tới 1 số nghành kinh tế khác… Vì vậy nhiệm vụ của hệ thống thoát nước là thu gom vận chuyển nhanh chóng mọi loại nuớc thải ra khỏi khu vực dân cư, xí nghiệp công nghiệp, đồng thời xử lý và khử trùng đạt yêu cầu vệ sinh trước khi xả vào nguồn tiếp nhận. Nước thải có nhiều loại khác nhau tùy theo tính chất và nguồn gốc của nó người ta phân biệt 3 loại chính sau đây : o Nước thải sinh hoạt : Thải ra từ các chậu rửa, bồn tắm , nhà xí, tiểu ..chứa nhiều chất hữu cơ và vi trùng. o Nước xám : Nước sinh hoạt không chứa phân, nước tiểu thải ra từ các hộ gia đình bao gồm : nước đã qua bồn tắm, vòi hoa sen, chậu giặt trong nhà tắm, máy giặt và bồn giặt… o Nước thải sản xuất : Thải ra sau qua trình sản xuất. Thành phần và tính chất phụ thuộc vào lĩnh vực công nghiệp, nguyên liệu tiêu thụ, công nghệ sản xuất…mà khác nhau rất nhiều . www.tainguyennuoc.vn 8 2. Nguyên tắc vạch tuyến mạng lưới thoát nước: Mạng lưới thoát nước có thể gồm một hay một vài cống góp chính phục vụ cho một vài lưu vực thoát nước. Lưu vực thoát nước là một phần diện tích của đô thị hay của xí nghiệp công nghiệp mà nước thải cho chảy tập trung về một cống nước chính. Phần ranh giới lưu vực là các đường phân thủy. Các cống góp chính thường đặt theo đường tụ thủy. Hệ thống thoát nước thường thiết kế theo nguyên tắc tự chảy, khi cống đặt quá sâu thì dùng máy bơm nâng lên cao sau đó lại tiếp tục tự chảy. Vạch tuyến mạng lưới thoát nước tiến hành theo thứ tự sau: ¾ Phân chia lưu vực thoát nước. ¾ Xác định vị trí trạm xử lý, vị trí xả nước vào nguồn. ¾ Vạch tuyến cống góp chính cống góp lưu vực, cống đường phố tuân theo các nguyên tắc sau : o Phải hết sức lợi dụng địa hình đặt cống thoát nước thoát nước theo chiều nước tự chảy từ phía đất cao đến phía đất thấp của lưu vực đảm bảo lượng nước thải lớn nhất tự chảy theo cống, tránh đào đắp nhiều tránh đặt nhiều trạm bơm lãng phí. o Đặt cống đường phố thật hợp lý để tổng chiều dài là ngắn nhất tránh trường hợp nước chảy vòng vo, tránh đặt cống sâu. Phụ thuộc vào địa hình diện tích của các tiểu khu nhà ở, quy hoạch kiến trúc biện pháp thi công xây dựng và sự phân khu quản lý hành chính của đô thị mà có thể vạch tuyến mạng lưới đường phố theo các sơ đồ sau : o Sơ đồ hộp : Cống được đặt dọc theo các đường phố bao quanh các tiểu khu. Sơ đồ này áp dụng khi địa hình bằng phẳng, tiểu khu có diện tích lớn và công trình không xây dựng sâu vào bên trong (trong đề tài này dùng sơ đồ này). o Sơ đồ ranh giới thấp : Cống được đặt theo đường phố ở phía ranh giới thấp của tiểu khu. Sơ đồ này áp dụng khi địa hình có độ dốc tương đối lớn . Trong thực tế, khi so sánh các phương án vạch tuyến mạng lưới thoát nước đường phố xuyên qua tiểu khu. Trong trường hợp này, mạng lưới thoát nước trong tiểu khu thường kéo dài và các ống nhánh nối đi từ các tiểu khu này qua các tiểu khu khác. Tổng chiều dài mạng lưới ngắn hơn các sơ đồ vạch tuyến trên. Tuy nhiên việc quản lý có thể gặp nhiều khó khăn, khó phân cấp và kém hiệu quả. www.tainguyennuoc.vn 9 Các cống chính vạch theo hướng về trạm xử lý và cửa xả nước vào nguồn tiếp nhận. Vị trí trạm xử lý đặt ở phía thấp của đô thị, xí nghiệp, công nghiệp, nhưng không bị ngập lụt, cuối hướng gió chủ đạo mùa hè, cuối nguồn nước, đảm bảo khoảng cách tối thiểu 500m đối với khu dân cư, xí nghiệp công nghiệp chế biến thực phẩm. Giảm tới mức tối thiểu cống chui qua sông hồ, cầu phà, đê đập, đường sắt, đường ô tô và các công trình ngầm khác . Việc bố trí cống thoát nước phải bố trí kết hợp với công trình ngầm khác, phải đảm bảo cho việc xây dựng khai thác sử dụng được thuận lợi … II. Tính toán về mạng lưới thoát nước Tính toán lưu lượng nước thải Từ hai công thức Q = ω v và v = C Ri , khi tính toán chỉ mới biết được lưu lượng, còn 3 giá trị chưa biết là v,ω ,I, do đó không thể giải được mà phải tính toán lựa chọn hợp lý dần. Người ta đã lập sẵn các bảng tính toán, các biểu đồ và toán đồ để tiện sử dụng trong khi thiết kế. Trong các bảng số, ứng với mỗi đường kính d (hoặc đường kính kênh mương ) và độ dốc i, dẫn ra các thông số về lưu lượng, tốc độ với độ đầy từ 0,05 đến 1d. Dựa theo lưu lượng Q và độ dốc địa hình, với độ đầy lựa chọn h/d, ta lựa chọn đường kính cống, sau đó chọn i và xác định V. Xác định lưu lượng tính toán cho từng đoạn cống : Căn cứ vào giai đoạn xây dựng quy hoạch hệ thống mạng lưới thoát nước được chia ra các đoạn có độ dài khác nhau. Đoạn cống tính toán là khoảng cách giữa hai điểm (giếng thăm) mà lưu lượng dòng chảy quy ước là không đổi. Để xác định lưu lượng tính toán cần nắm các khái niệm sau : ¾ Lưu lượng dọc đường: Lượng nước từ các khu nhà thuộc lưu vực nằm dọc 2 bên cống đổ vào đoạn cống. ¾ Lưu lượng chuyển qua: Lượng nước từ đoạn cống phía trên đổ vào điểm đầu của đoạn cống. ¾ Lưu lượng cạnh sườn: Lượng nước từ cống nhánh của cạnh sườn đổ vào điểm đầu của đoạn cống. www.tainguyennuoc.vn 10 ¾ Lưu lượng tập trung: Lượng nước chuyển qua đoạn cống từ các đơn vị thải nước lớn từ các đơn vị nằm riêng biệt ở phía trên đoạn cống (xí nghiệp công nghiệp, trường học, nhà tắm công cộng). Lưu lượng dọc đường là 1 đại lượng biến đổi tăng dần từ số 0 ở đầu đoạn cống đến giá trị lớn nhất ở cuối đoạn cống. Lưu lượng chuyển qua, lưu lượng cạnh sườn, lưu lượng tập trung đổ vào đoạn cống có giá trị không đổi suốt chiều dài. Chú ý: Tại những chỗ thay đổi hướng nước chảy thay đổi đường kính tại những chỗ giao lưu của các dòng chảy phải xây dựng giếng thăm và cống được thay bằng máng hở lượn đều. Tại những chỗ ngoặt thường gây sức cản cục bộ. Quy định góc chuyển tiếpα của máng hở không lớn hơn 900. Góc α =900 đối với cống có d<400 mm,còn đối với cống có d>400mm, góc chuyển tiếp đó α <600. Lưu lượng nước thải tính toán trong đề tài này gồm có : Nước thải sinh hoạt từ các khu dân cư hộ gia đình, từ các khu công nghiệp các công trình công cộng(trường học,bệnh viện)và nước mưa. Trong đó nước thải sinh hoạt từ các khu dân cư và nước thải công cộng được tính như sau : Công thức tính toán : Q 1000 . tcng tb qN= (2.1) Trong đó : ngđ tbQ : Lưu lượng trung bình ngày đêm ( m 3/ngđ). N : Dân số tính toán ( người). q : Tiêu chuẩn thải nước ( l/người.ngđ). tc Trong các khu công nghiệp người ta chia ra làm các phân xưởng nóng và phân xưởng lạnh, dựa vào số công nhân, số ca làm việc, tiêu chuẩn dùng nước của từng công nhân trong các phân xưởng nóng và lạnh ta tính được lưu lượng nước thải ngày đêm của từng xí nghiệp công nghiệp. www.tainguyennuoc.vn 11 PHẦN III : GIỚI THIỆU PHẦN MỀM I . Giới thiệu phần mềm SWMM : Mô hình toán SWMM (Storm Water Management Model ) là mô hình động lực học mô phỏng mưa – dòng chảy cho các khu vực đô thị cả về chất và lượng, và tính toán quá trình chảy tràn từ mỗi lưu vực bộ phận đến cửa nhận nước của nó. Mô hình vừa có thể mô phỏng cho từng sự kiện ( từng trận mưa đơn lẻ ), vừa có thể mô phỏng liên tục. Mô hình này do Metcalf và Eddy xây dựng năm 1971, là sản phẩm của 1 hợp đồng kinh tế giữa trường ĐH Florida và tổ chức bảo vệ môi trường Hoa kỳ EPA (The U.S.Environment Protection Agency ). Khi mới ra đời mô hình chạy trên môi trường DOS. Mô hình liên tục được cập nhập và phiên bản mới nhất là SWMM 5.0 chạy trên môi trường WINDOW. Phiên bản mới này được viết lại bởi một bộ phận trong phòng thí nghiệm nghiên cứu Quản lý rủi ro Quốc gia của EPA. Các phiên bản đã qua của SWMM : ¾ 1969 – 1971 : Version 1 ¾ 1975 : Version 2 ¾ 1981 : Version 3 ¾ 1988 : Version 4 ¾ 2004 : Version 5 Phần mềm này được cung cấp miễn phí có thể Download tại : II . Khả năng của phần mềm SWMM : Mô hình quản lý nước mưa SWMM là 1 mô hình toán học toàn diện, 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 thuỷ văn đô thị và chu kỳ chất lượng đều được mô phỏng, bao gồm dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm, vận chuyển qua mạng lưới hệ thống tiêu thoát nước, hồ chứa và khu xử lý. www.tainguyennuoc.vn 12 Mô hình SWMM mô phỏng