Tóm tắt: Bài báo giới thiệu khái quát các mô hình tính toán thủy lực từ các kết quả nghiên cứu mới nhất trong lĩnh vực thủy lực dành cho mạng lưới thoát nước đô thị: Kinematic wave, Noninertia, Quasi-steady dynamic wave, Hydrodynamic wave. Và chọn mô hình tính toán thủy lực Hydrodynamic wave để mô phỏng chế độ thủy lực trong mạng lưới thoát nước mưa bị ảnh hưởng triều cường. Đồng thời cũng giới thiệu khái quát phần mềm Autodesk Storm và Sanitary Analysis dùng để phân tích thủy lực mạng lưới thoát nước mưa đô thị sử dụng mô hình thủy lực Hydrodynamic wave.
Abstract: The paper presents the overview of the latest achievements in researching hydraulic computational models, which include Kinematic wave, Noninertia, Quasi- steady dynamic wave and Hydrodynamic wave. The Hydrodynamic wave model then in comparison to the others is the most adaptably suitable for planning and designing storm- water drainage system affected by tide. The last section is dedicated to provide a brief explanation about Autodesk Storm and Sanitary Analysis and how to utilize this software to analyze the hydraulic of storm-water drainage system affected by tide basing on Hydrodynamic wave.
1. Đặt vấn đề Trong quá trình đô thị hóa, các đô thị ở Việt Nam đặc biệt là các đô thị ở phía Nam, đa số phát triển trên vùng đất ruộng, vườn cây ăn trái, sông, kênh, rạch bao quanh, tạo sinh thái cho đô thị. Các đô thị này đều bị ảnh hưởng triều cường, với chế độ triều bán nhật triều, điều này ảnh hưởng tới thiết kế mạng lưới thoát nước mưa của đô thị. Do đó việc tìm hiểu và ứng dụng mô hình tính toán thủy lực mạng lưới tiêu tháo nước phù hợp cho các đô thị loại này là nhu cầu cấp thiết hiện nay. Quá trình phát triển của khoa học thủy lực, đã nghiên cứu toàn diện dòng chảy thực trong mạng lưới thoát nước, khắc phục được các khuyết điểm của mô hình thủy lực truyền thống, đó là mô hình thủy lực sóng động (Dynamic wave) hay còn gọi là mô hình thủy động lực (Hydrodynamic Model). Sự phát triển của khoa học máy tính giúp cho các thuật toán phức tạp của mô hình thủy lực đã được phát triển hoàn chỉnh thông qua các phần mềm phân tích mạng lưới thoát nước đô thị như: SWMM, Autodesk Storm and Sanitary Analysis …
2. Lưu lượng dòng chảy trong cống kín
Dòng chảy trong kênh là dòng chảy có mặt thoáng, tuy nhiên dòng chảy trong cống của mạng lưới thoát nước, cống qua đường còn có chế độ dòng chảy đầy, chảy ngập, chảy có áp. Dòng chảy trong cống là dòng chảy không đều và biến đổi theo thời gian. Tuy nhiên, để giảm bớt việc tính toán song vẫn đảm bảo đủ độ chính xác trong thực hành, dòng chảy trong cống mạng lưới thoát nước thải sinh hoạt, dòng chảy thoát nước mặt do mưa, sự thay đổi tính chất dòng chảy theo thời gian coi như không đáng kể, do vậy có thể xem các yếu tố thủy lực thay đổi theo từng bước thời gian và gần với dòng chảy đều. Dòng chảy không đều trong cống có mặt thoáng được mô tả như Hình 1, phương trình động lượng viết theo phương chẩy là công thức (2.1) hoặc (2.2 )
trong đó: x = chiều dài dọc theo cống (m) . A = diện tích mặt cắt ướt trong cống theo phương x (m2 ) . y = trục tọa độ vuông góc dọc theo phương x h = chiều sâu dòng nước trong cống lấy theo phương y (m) Q = lưu lượng chuyển qua mặt cắt A (M3 /s) V = Q/A, vận tốc trung bình dòng chảy theo phương x (m/s)
Ý nghĩa của các thành phần trong công thức (2.1) và (2.2) (1) = lưu lượng nước trong cống thay đổi theo thời gian nước chảy trong cống ở trạng thái chảy không đầy cống, tức là lưu lượng đầu cống khác lưu lượng cuối cống (2) = vận tốc dòng chảy trong cống và diện tích mặt cắt ướt trong cống thay đổi theo chiều dài cống (3) = chiều cao dòng nước chẩy trong cống thay đổi theo phương dọc cống (4) = độ dốc dọc cống (5) = tổn thất năng lượng dòng chảy, phụ thuộc vào vận tốc và bán kính thủy lực Tất cả các yếu tố (1), (2), (3) liên quan, ảnh hưởng lẫn nhau, khi chiều cao lớp nước trong cống thay đổi, mặt cắt ướt trong cống thay đổi, vận tốc thay đổi theo.
Với công thức (2.4) quan niệm tính toán lưu lượng cho từng đoạn cống ứng với thời gian ngay tại mặt cắt tính toán, độ đầy nước trong cống là hằng số. Phương trình (2.4) có nhiều khuyết điểm khi tính toán thủy lực mạng lưới thoát nước, Hiện nay có 05 mô hình tính lưu lượng nước trong cống: sóng động học (Kinematic wave), phi quán tính (Noninertia), sóng động lực tựa ổn định (Quasi-steady dynamic wave), sóng động lực (Dynamic wave), (xem bảng 2- tổng hợp các mô hình dòng chảy).
.jpg)
Bảng 2 cho thấy việc sử dụng mô hình sóng động lực là mô hình toàn diện nhất về dòng chảy trong mạng lưới cống, cho phép nước chảy ngược với độ dốc cống. 3. Lưu lượng tại nút mạng lưới Khi thiết kế mạng lưới thoát nước, sẽ có nút giao giữa các hướng tuyến, tại các nút này sẽ gây ra tổn thất năng lượng.Ttrong phạm vi bài báo này chưa đi sâu vào phân tích các loại nút giao trên mạng lưới và mỗi loại nút giao sẽ ảnh hưởng tới tổn thất thủy lực như thế nào. Bài báo này phân tích tổng quát về mặt lưu lượng tại nút. Phương trình cân bằng lưu lượng tại nút
trong đó: Qi = lưu lượng vào và ra tại nút, lưu lượng vào mang giá trị dương, lưu lượng ra mang giá trị âm . Qj = lưu lượng trực tiếp tại nút, từ lưu vực vào, lưu lượng tràn từ hố ga thượng lưu, do bơm đi, rò rỉ… bất cứ lưu lượng nào không từ các đoạn cống thượng lưu chuyển về s = dung tích chứa nước tại thời điểm t, tại nút t = thời gian
Khi mạng lưới hoạt động bình thường không ảnh hưởng triều cường (xem hình 2) phương trình (3.1) viết lại như sau:
Đối với các đô thị ảnh hưởng triều cường (xem hình 3), sẽ có lượng nước chảy ngược vào khi triều cường lên, khi đó phương trình (3.1) sẽ là:
Qt = lượng nước chảy ngược vào khi triều cường Như vậy ứng với các bảng tính thông thường không mô tả được trường hợp triều cường. Nhưng thực tế, người thiết kế lại tính với các bảng tính này mà không quan tâm tới Qt, có lẽ chính điều này đã làm cho các đô thị hiện nay gặp nhiều vấn đề về ngập lụt.
4. Thông số mưa và triều cường Thông số mưa lấy với chu kỳ P = 5 năm, lấy từ trạm đo thực tế, khi kiểm toán mạng lưới thoát nước bằng máy tính cho phép khai báo dữ liệu trận mưa thực, điều này giúp cho mạng lưới thoát nước hoạt động gần với thực tế hơn.
.jpg)
Với biểu đồ mưa
Thông số triều cường lấy với chu kỳ P = 5 năm, đây là thông số sẽ gây ảnh hưởng đến mạng lưới vì khi triều cường lên, nước sẽ chảy ngược vào mạng lưới từ các cửa xả, do đó một số đơn vị tư vấn đề xuất lắp van một chiều tại vị trí cửa xả, nhưng điều kiện bất lợi nhất cho mạng lưới là lúc mưa xuống gặp đỉnh triều thì van một chiều đã đóng lại lúc đó nước trong mạng lưới sẽ gặp khó khăn để thoát ra nguồn tiếp nhận, ngay lúc đó mạng lưới sẽ trở thành kho chứa nước. Việc kho chứa có đủ lớn để chứa nước hay không là một vấn đề cần được tính toán cụ thể, điều này cũng đã bị bỏ qua không đánh giá. Thông số mưa tham khảo như sau:
Biểu đồ triều cường như sau:
5. Ứng dụng phần mềm Autodesk Storm and Sanitary Analysis. Phần mềm Autodesk Storm và Sanitary Analysis, được phát triển bởi hãng Autodesk, dùng mô phỏng thủy lực mạng lưới thoát nước đô thị và các công trình trên mạng lưới, cống qua đường, đập, hồ điều tiết, bơm, van điều tiết, kênh mương …có nhiều mô hình thủy lực cho người dùng lựa chọn, trong đó có Hydrodynamic Model. Chính điều này làm nên giá trị của phần mềm, đưa ra một công cụ giúp người thiết kế xây dựng mạng lưới thoát nước gần với chế độ vận hành thực tế của mạng lưới thoát nước nhiều nhất có thể. Phần mềm này được áp dụng cho việc kiểm soát ngập lụt đô thị, mô phỏng nước dưới đất, chất lượng nước thải đô thị. Chính vì sử dụng mô hình này (Hydrodynamic Model), cho phép mô phỏng mạng lưới thoát nước mưa đô thị bị ảnh hưởng triều cường.
Những kết quả nhận được từ mô hình giúp kiểm soát mạng lưới:
Abstract: The paper presents the overview of the latest achievements in researching hydraulic computational models, which include Kinematic wave, Noninertia, Quasi- steady dynamic wave and Hydrodynamic wave. The Hydrodynamic wave model then in comparison to the others is the most adaptably suitable for planning and designing storm- water drainage system affected by tide. The last section is dedicated to provide a brief explanation about Autodesk Storm and Sanitary Analysis and how to utilize this software to analyze the hydraulic of storm-water drainage system affected by tide basing on Hydrodynamic wave.
1. Đặt vấn đề Trong quá trình đô thị hóa, các đô thị ở Việt Nam đặc biệt là các đô thị ở phía Nam, đa số phát triển trên vùng đất ruộng, vườn cây ăn trái, sông, kênh, rạch bao quanh, tạo sinh thái cho đô thị. Các đô thị này đều bị ảnh hưởng triều cường, với chế độ triều bán nhật triều, điều này ảnh hưởng tới thiết kế mạng lưới thoát nước mưa của đô thị. Do đó việc tìm hiểu và ứng dụng mô hình tính toán thủy lực mạng lưới tiêu tháo nước phù hợp cho các đô thị loại này là nhu cầu cấp thiết hiện nay. Quá trình phát triển của khoa học thủy lực, đã nghiên cứu toàn diện dòng chảy thực trong mạng lưới thoát nước, khắc phục được các khuyết điểm của mô hình thủy lực truyền thống, đó là mô hình thủy lực sóng động (Dynamic wave) hay còn gọi là mô hình thủy động lực (Hydrodynamic Model). Sự phát triển của khoa học máy tính giúp cho các thuật toán phức tạp của mô hình thủy lực đã được phát triển hoàn chỉnh thông qua các phần mềm phân tích mạng lưới thoát nước đô thị như: SWMM, Autodesk Storm and Sanitary Analysis …
2. Lưu lượng dòng chảy trong cống kín
Dòng chảy trong kênh là dòng chảy có mặt thoáng, tuy nhiên dòng chảy trong cống của mạng lưới thoát nước, cống qua đường còn có chế độ dòng chảy đầy, chảy ngập, chảy có áp. Dòng chảy trong cống là dòng chảy không đều và biến đổi theo thời gian. Tuy nhiên, để giảm bớt việc tính toán song vẫn đảm bảo đủ độ chính xác trong thực hành, dòng chảy trong cống mạng lưới thoát nước thải sinh hoạt, dòng chảy thoát nước mặt do mưa, sự thay đổi tính chất dòng chảy theo thời gian coi như không đáng kể, do vậy có thể xem các yếu tố thủy lực thay đổi theo từng bước thời gian và gần với dòng chảy đều. Dòng chảy không đều trong cống có mặt thoáng được mô tả như Hình 1, phương trình động lượng viết theo phương chẩy là công thức (2.1) hoặc (2.2 )
4. Thông số mưa và triều cường Thông số mưa lấy với chu kỳ P = 5 năm, lấy từ trạm đo thực tế, khi kiểm toán mạng lưới thoát nước bằng máy tính cho phép khai báo dữ liệu trận mưa thực, điều này giúp cho mạng lưới thoát nước hoạt động gần với thực tế hơn.
5. Ứng dụng phần mềm Autodesk Storm and Sanitary Analysis. Phần mềm Autodesk Storm và Sanitary Analysis, được phát triển bởi hãng Autodesk, dùng mô phỏng thủy lực mạng lưới thoát nước đô thị và các công trình trên mạng lưới, cống qua đường, đập, hồ điều tiết, bơm, van điều tiết, kênh mương …có nhiều mô hình thủy lực cho người dùng lựa chọn, trong đó có Hydrodynamic Model. Chính điều này làm nên giá trị của phần mềm, đưa ra một công cụ giúp người thiết kế xây dựng mạng lưới thoát nước gần với chế độ vận hành thực tế của mạng lưới thoát nước nhiều nhất có thể. Phần mềm này được áp dụng cho việc kiểm soát ngập lụt đô thị, mô phỏng nước dưới đất, chất lượng nước thải đô thị. Chính vì sử dụng mô hình này (Hydrodynamic Model), cho phép mô phỏng mạng lưới thoát nước mưa đô thị bị ảnh hưởng triều cường.
Hình 6: Một ví dụ về mô phỏng mạng lưới thoát nước mưa đô thị
Một mạng lưới thoát nước mưa đô thị tổng quát bao gồm: lưu vực thoát nước, giếng thu, giếng thăm, cống, cửa xả, kênh mương, hồ điều tiết, trạm bơm… Để mô phỏng mạng lưới, bước đầu tiên cần phải sơ bộ quy mô mạng lưới: kích thước cống, cao độ hầm ga, cao độ cống… từ đây bắt đầu mô phỏng để phân tích kích thước mạng lưới đã sơ bộ, sau đó tiến hành hiệu chỉnh để đạt các mục tiêu của dự án đưa ra.
