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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI MIỀN NAM TP Hồ Chí Minh, 2015 ĐẶNG THANH LÂM XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍCH HỢP CHO TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH TỔNG HỢP TIÊU THOÁT NƢỚC ĐÔ THỊ VÙNG ẢNH HƢỞNG TRIỀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI MIỀN NAM TP Hồ Chí Minh, 2015 ĐẶNG THANH LÂM XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍCH HỢP CHO TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH TỔNG HỢP TIÊU THOÁT NƢỚC ĐÔ THỊ VÙNG ẢNH HƢỞNG TRIỀU Chuyên ngành: Kỹ thuật Tài nguyên nƣớc Mã ngành: 62 58 02 12 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Cán bộ hƣớng dẫn: GS.TS Nguyễn Tất Đắc i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung của Luận án này hoàn toàn đƣợc hình thành và phát triển từ những quan điểm của chính cá nhân tôi, dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của Gs.Ts Nguyễn Tất Đắc. Các số liệu và kết quả có đƣợc trong Luận án là hoàn toàn trung thực. Tác giả luận án ĐẶNG THANH LÂM ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i MỤC LỤC ............................................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT ..................................................................... v DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .............................................................................. vii MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN NGẬP ÖNG ĐÔ THỊ, GIẢI PHÁP KỸ THUẬT CHỐNG NGẬP VÀ MÔ HÌNH TÍNH TIÊU THOÁT NƢỚC .... 5 1.1 NGẬP LỤT VÀ CÁC GIẢI PHÁP CHỐNG NGẬP CHO MỘT SỐ THÀNH PHỐ . 5 1.1.1 Lịch sử phát triển kỹ thuật và quản lý tiêu thoát nƣớc đô thị trên thế giới ......... 5 1.1.2 Vài nét về tình hình ngập lụt trong và ngoài nƣớc .............................................. 5 1.1.3 Nguyên nhân ngập úng các thành phố ................................................................ 7 1.1.4 Giải pháp tổng hợp chống ngập đô thị ................................................................ 8 1.2 CÁC MÔ HÌNH TOÁN TÍNH TIÊU THOÁT NƢỚC ĐÔ THỊ ............................... 11 1.2.1 Một số khái niệm .............................................................................................. 11 1.2.2 Một số mô hình thủy văn đô thị ........................................................................ 15 1.2.3 Một số mô hình thủy lực đô thị ......................................................................... 19 1.3 NHẬN XÉT CHUNG VỀ TÍNH NĂNG CÁC MÔ HÌNH THỦY VĂN, THỦY LỰC ĐÔ THỊ ....................................................................................................................... 27 1.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG .............................................................................................. 29 CHƢƠNG 2: MÔ HÌNH DELTA-P NỐI GHÉP THỦY LỰC ĐƢỜNG ỐNG VỚI THỦY LỰC SÔNG KÊNH .................................................... 30 2.1 MÔĐUN THỦY LỰC DÒNG CHẢY TRONG SÔNG KÊNH DELTA .................. 30 2.1.1 Hệ phƣơng trình cơ bản cho dòng chảy ............................................................ 30 2.1.2 Điều kiện biên, điều kiện đầu, điều kiện tại các hợp lƣu .................................. 31 2.1.3 Thuật toán giải số hệ phƣơng trình Saint-Venant ............................................. 32 iii 2.1.4 Cách sơ đồ hóa hệ thống sông trong tính toán .................................................. 43 2.1.5 Công thức truy đuổi để tính mực nƣớc và lƣu lƣợng trong từng nhánh sông trong trƣờng hợp tính toán hệ thống sông ......................................................... 45 2.1.6 Xây dựng hệ phƣơng trình có ẩn là mực nƣớc tại các nút hợp lƣu ................... 46 2.1.7 Vấn đề thực hành khi thiết lập các hệ số của phƣơng trình nút (2-36) và phƣơng pháp giải............................................................................................... 51 2.1.8 Thuật toán cho dòng chảy qua công trình ......................................................... 54 2.1.9 Thuật toán cho dòng chảy trên những ô đồng ................................................... 62 2.1.10 Tính lƣợng mƣa trên ô ruộng ............................................................................ 70 2.2 MÔĐUN THỦY LỰC DÒNG CHẢY TRONG ĐƢỜNG ỐNG P ........................... 73 2.2.1 Phân tích quy luật dòng chảy trong cống ngầm ................................................ 75 2.2.2 Nối mạng ống với nhau hoặc mạng ống với kênh ............................................ 79 2.2.3 Cách giải số đối với bài toán đƣờng ống .......................................................... 80 2.2.4 Tính toán mƣa trong môđun P .......................................................................... 83 2.3 TÍCH HỢP CSDL VÀ GIS CỦA PHẦN MỀM DELTA-P ....................................... 84 2.3.1 Chức năng hệ thống .......................................................................................... 84 2.3.2 Tổng quan về cơ sở dữ liệu ............................................................................... 84 2.3.3 Thiết kế giao diện màn hình sử dụng ................................................................ 85 2.3.4 Tổ chức mạng lƣới sông kênh. .......................................................................... 87 2.3.5 Nhận xét: ........................................................................................................... 87 2.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG .............................................................................................. 88 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG DELTA-P MÔ PHỎNG SÔNG KÊNH TP HỒ CHÍ MINH VÀ CỐNG LƢU VỰC TÂN HÓA – LÕ GỐM ............... 89 3.1 ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN KHU VỰC TP HỒ CHÍ MINH ......................................... 90 3.1.1 Vị trí địa lý ........................................................................................................ 90 3.1.2 Đặc điểm địa hình ............................................................................................. 90 3.1.3 Đặc điểm khí hậu .............................................................................................. 90 3.1.4 Hệ thống sông kênh .......................................................................................... 91 3.1.5 Hệ thống cống thoát nƣớc ................................................................................. 93 iv 3.2 NGẬP ÚNG ĐÔ THỊ Ở TP HỒ CHÍ MINH ............................................................. 94 3.2.1 Thực trạng và nguyên nhân ngập úng khu vực nội thành ................................. 94 3.2.2 Giải pháp chống úng ngập và ứng dụng mô hình toán ..................................... 98 3.2.3 Nhận xét về ứng dụng các mô hình toán trong các dự án chống ngập ........... 103 3.3 MÔ HÌNH THUỶ LỰC SÔNG KÊNH DELTA-P KHU VỰC TPHCM ............... 105 3.3.1 Hệ thống tài liệu cho xây dựng mô hình ......................................................... 105 3.3.2 Xây dựng sơ đồ và hiệu chỉnh mô hình .......................................................... 105 3.3.3 Kết quả mô phỏng thủy lực sông kênh hạ lƣu ĐNSG .................................... 106 3.3.4 Nhận xét kết quả tính toán bằng mô hình DELTA-P ...................................... 111 3.4 MÔ HÌNH THUỶ LỰC ĐƢỜNG ỐNG DELTA-P KHU VỰC KÊNH TÂN HOÁ- LÒ GỐM .................................................................................................................. 111 3.4.1 Phạm vi vùng nghiên cứu................................................................................ 111 3.4.2 Hệ thống kênh rạch, cống tiêu và công trình trên kênh .................................. 114 3.4.3 Tình hình ngập úng lƣu vực Tân Hoá-Lò Gốm .............................................. 116 3.4.4 Nguyên nhân, tồn tại và những giải pháp chống ngập úng lƣu vực THLG .... 117 3.4.5 Tài liệu địa hình .............................................................................................. 118 3.4.6 Tài liệu mƣa và thuỷ văn................................................................................. 119 3.4.7 Mô hình mạng đƣờng ống ............................................................................... 120 3.4.8 Điều kiện mƣa và dòng chảy do mƣa ............................................................. 120 3.4.9 Mô phỏng hiện trạng úng ngập tháng 10/2005 ............................................... 121 3.4.10 Mô phỏng phƣơng án mở rộng, nạo vét kênh THLG (PA1) .......................... 125 3.4.11 Mô phỏng phƣơng án mở kênh và nâng cấp đƣờng ống tiêu nƣớc (PA2) ...... 126 3.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG ............................................................................................ 127 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 129 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .................................................................. 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 135 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT 1D và 2D Một và hai chiều (1, 2 Dimension) trong mô hình toán Bộ NN&PTNT Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn CIWEM Cơ quan chuyên trách quản lý nƣớc và môi trƣờng (Anh) CSDL Cơ sở dữ liệu ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long ĐN-SG Đồng Nai-Sài Gòn DHI Viện Thuỷ lực Đan Mạch (Danish Hydraulic Institute) EPA (US) Cơ quan bảo vệ môi trƣờng (Mỹ) (Environmental Protection Agency) GIS Hệ thống thông tin địa lý (Georaphical Information System) HD Thuỷ động lực học (Hydro-Dynamic) JICA Cơ quan hợp tác quốc tế Nhật bản (Japan International Cooperation Agency) NCS Nghiên cứu sinh PCI Công ty tƣ vấn Thái Bình Dƣơng (Pacific International Consultant) SWMM Mô hình quản lý nƣớc mƣa (Storm Water Management Model) THLG Tân Hóa - Lò Gốm TP HCM Thành phố Hồ Chí Minh ĐHCTCN Điều hành Chƣơng trình chống ngập (Trung tâm thuộc UBND TP HCM) UBND Ủy ban nhân dân UDFCD Cơ quan phòng chống lũ và tiêu nƣớc đô thị thuộc bang Colorado Mỹ (Urban Drainage and Flood Control District) Viện KHTLMN Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam Viện QHTLMN Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam WASSP Bộ mô hình cống tiêu nƣớc mƣa của Đại học Wallingford (Wallingford Storm Sewer Package) vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3-1: Diễn biến các điểm ngập do mƣa vùng trung tâm thành phố ............................. 95 Bảng 3-2: Diễn biến các điểm ngập do triều ....................................................................... 95 Bảng 3-3: Tổng hợp các thông số chính hệ thống kênh thuộc khu vực THLG ................. 114 Bảng 3-4: Thống kê khu ngập lƣu vực THLG ................................................................... 117 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1-1: Hình ảnh ngập úng do mƣa (trái) và do triều cƣờng (phải) ở TPHCM ................ 6 Hình 1-2: Những nguyên nhân tự nhiên gây ngập úng TP Hồ Chí Minh ............................. 7 Hình 1-3: Sơ đồ các thành phần trong hệ thống thoát nƣớc đô thị và các mô hình áp dụng10 Hình 1-4: Sơ đồ chu trình thuỷ văn lƣu vực chƣa đô thị hoá ............................................. 11 Hình 1-5: Sơ đồ chu trình thuỷ văn lƣu vực đô thị .............................................................. 12 Hình 1-6: Các đặc trƣng thủy văn của lƣu vực đô thị .......................................................... 13 Hình 1-7: Diễn biễn dòng chảy mƣa lũ trên đô thị .............................................................. 14 Hình 1-8: Giao diện nhập thông số lƣu vực mô hình Urban-A ........................................... 17 Hình 1-9: Giao diện nhập thông số lƣu vực mô hình Urban-B ........................................... 17 Hình 1-10: Sơ đồ biểu diễn ngập úng bề mặt đƣờng (hai chấm đỏ tròn) có cống ngầm ..... 21 Hình 1-11: Kết quả kiểm định mô hình NAM và MIKE FLOOD sông Đáy-Nhuệ ............ 23 Hình 1-12: Bản đồ ngập lụt tính toán bằng MIKE FLOOD cho lƣu vực sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn TP Hà Nội. ....................................................................................................... 24 Hình 1-13: Sơ đồ hệ thống tiêu nƣớc lƣu vực Segunbagicha năm 1996 ............................. 25 Hình 2-1: Mặt cắt ngang sông .............................................................................................. 31 Hình 2-2: Hợp lƣu của ba nhánh sông ................................................................................. 32 Hình 2-3: Vị trí tám mặt cắt trên một nhánh sông ............................................................... 33 Hình 2-4: Sơ đồ sai phân bốn điểm Preissmann .................................................................. 33 Hình 2-5: Sơ đồ rời rạc hóa một nhánh sông trong tính toán .............................................. 38 Hình 2-6: Sơ đồ hóa nhánh sông thứ j ................................................................................. 40 Hình 2-7: Các nhánh sông (có thể có) tại nút hợp lƣu, trƣờng hợp tính thủy lực kênh sông46 Hình 2-8: Nhánh trong nối 2 hợp lƣu JV và I, các mặt cắt đánh số từ k1 tới kN ............... 46 Hình 2-9: Nhánh trong nối hai hợp lƣu I và JR , các mặt cắt đánh số từ i1 tới iN (nhánh chảy ra từ nút I) .................................................................................................................... 47 Hình 2-10: Sơ đồ nhánh biên thứ m nối hợp lƣu I với biên J (cho lƣu lƣợng Qb) .............. 47 Hình 2-11: Sơ đồ nhánh biên thứ m nối hợp lƣu I với biên J (cho mực nƣớc Hb) .............. 48 viii Hình 2-12: Tính toán lƣu lƣợng dòng chảy qua công trình ................................................. 55 Hình 2-13: Sơ đồ hóa luật chảy qua công trình/cống .......................................................... 58 Hình 2-14: Cống có cửa kéo lên xuống (trái) và cống cánh cửa xoay ngang (phải) ........... 58 Hình 2-15: Cách ghép công trình trong sơ đồ tính toán ...................................................... 59 Hình 2-16: Sơ đồ công trình ................................................................................................ 60 Hình 2-17: Khu/ô ruộng trữ nƣớc trong tự nhiên ................................................................ 62 Hình 2-18: Sơ đồ chảy giữa sông và các ô ruộng ................................................................ 62 Hình 2-19: Một cách sơ đồ hoá dạng đƣờng tràn ................................................................ 63 Hình 2-20: Sơ đồ điểm nối sông-ô ruộng (hay ô ruộng-ô ruộng) ........................................ 64 Hình 2-21: Hai ô ruộng thực tế I và II (trái) với 4 điểm tiếp xúc (3 điểm tiếp xúc ruộng với sông và 1 điểm ruộng với ruộng) và cách lập kênh giả nối tâm ô ruộng với các điểm tiếp xúc trong mô hình (trái) ....................................................................................................... 68 Hình 2-22: Sơ đồ tính toán ô ruộng ..................................................................................... 68 Hình 2-23: Sơ đồ các nhánh sông vị trí mặt cắt và công trình trong mô phỏng .................. 69 Hình 2-24: Sơ đồ tính lƣợng mƣa ........................................................................................ 71 Hình 2-25: Sơ đồ tổ chức của DELTA (có ghép môđun P) ................................................. 72 Hình 2-26: Sơ đồ khối các trƣờng hợp tính ứng với các điều kiện dòng chảy trong ống .... 74 Hình 2-27: Hình minh hoạ các trƣờng hợp dòng chảy trong cống ...................................... 74 Hình 2-28: Sơ đồ mạng đƣờng ống-kênh ............................................................................ 80 Hình 2-29: Các nhánh sông và đƣờng cống ngầm (có thể có) tại nút hợp lƣu sông I ......... 82 Hình 2-30: Sơ đồ chức năng hệ thống trong mô hình DELTA-P ........................................ 85 Hình 2-31: Giao diện tạo nhánh sông mới ........................................................................... 86 Hình 2-32: Giao diện SectionFrom ...................................................................................... 86 Hình 2-33: Giao diện TreeNetForm ..................................................................................... 87 Hình 3-1: Bản đồ mạng lƣới sông, kênh, rạch TP Hồ Chí Minh ......................................... 92 Hình 3-2: Bản đồ hiện trạng úng ngập TP HCM ................................................................. 96 Hình 3-3: Bản đồ 6 lƣu vực thoát nƣớc mƣa ....................................................................... 99 Hình 3-4: Sơ đồ thủy lực mô hình DELTA-P vùng hạ lƣu ĐN-SG ................................. 106 ix Hình 3-5: Diễn biến mực nƣớc tháng 2-2005 tại trạm Biên Hòa. ..................................... 107 Hình 3-6: Diễn biến mực nƣớc tháng 3-2005 tại trạm Biên Hòa. ..................................... 108 Hình 3-7: Diễn biến mực nƣớc tháng 4-2005 tại trạm Biên Hòa. ..................................... 108 Hình 3-8: Diễn biến mực nƣớc tháng 2-2005 tại trạm Nhà Bè. ......................................... 108 Hình 3-9: Diễn biến mực nƣớc tháng 3-2005 tại trạm Nhà Bè. ......................................... 109 Hình 3-10: Diễn biến mực nƣớc tháng 4-2005 tại trạm Nhà Bè. ....................................... 109 Hình 3-11: Mực nƣớc thực đo và mô phỏng tại Biên Hoà tháng 10-2005 ........................ 110 Hình 3-12: Mực nƣớc thực đo và mô phỏng tại Nhà Bè tháng 10-2005 ........................... 110 Hình 3-13: Mực nƣớc thực đo và mô phỏng tại Phú An tháng 10-2005 ........................... 110 Hình 3-14: Mực nƣớc mô phỏng tại Phú An, Bến Lức và cửa Lò Gốm tháng 10-2005 ... 111 Hình 3-15: Bản đồ vị trí lƣu vực Tân Hoá-Lò Gốm trong vùng nội thành TP HCM ........ 112 Hình 3-16: Bản đồ các đơn vị hành chính trong lƣu vực THLG ....................................... 113 Hình 3-17: Hệ thống cống lƣu vực THLG ......................................................................... 115 Hình 3-18: Bản đồ vị trí các khu ngập lƣu vực THLG theo điều tra ................................. 116 Hình 3-19: Bản đồ cao độ số vùng THLG ......................................................................... 119 Hình 3-20: Sơ đồ mô hình hệ thống đƣờng ống tiêu thoát nƣớc lƣu vực THLG .............. 121 Hình 3-21: Biểu đồ diễn biến độ ngập trên đƣờng phố ngày 01-09/10/2005 .................... 123 Hình 3-22: Biểu đồ diễn biến mực nƣớc triều trên kênh ngày 01-09/10/2005 .................. 123 Hình 3-23: Mực nƣớc tính toán hiện trạng năm 2005 tại một số nút cống lƣu vực THLG và một nút kênh ...................................................................................................................... 124 Hình 3-24: Bản đồ ngập hiện trạng trận mƣa tháng 10-2005 ............................................ 124 Hình 3-25: Bản đồ phân bố ngập lƣu vực THLG phƣơng án mở kênh ............................. 125 Hình 3-26: Bản đồ phân bố ngập lƣu vực THLG phƣơng án mở kênh và nâng cấp cống 126 1 MỞ ĐẦU Ngày nay chúng ta đều nhận thấy tầm quan trọng của việc quản lý nƣớc đặc biệt là ở các đô thị ở vùng châu thổ sông, nằm sát biển, nơi tập trung dân số cao, tốc độ đô thị hoá mạnh và chịu ảnh hƣởng của các yếu tố tự nhiên nhƣ mƣa cƣờng độ lớn, lũ lớn từ thƣợng lƣu và thuỷ triều, chẳng hạn nhƣ TP Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Cần Thơ, Vĩnh Long, Cà Mau ở Việt Nam cũng nhƣ nhiều thành phố trên thế giới nhƣ Băng Cốc (Thái Lan), hạ lƣu sông Thames (Anh quốc). Việc giải quyết vấn đề tiêu thoát nƣớc chống