Về tính toán mưa tiêu trong thoát nước đô thị - KS.NCS. Trần Văn Nâu

vÒ tÝnh to¸n m­a tiªu trong tho¸t n­íc ®« thÞ KS. NCS. trÇn v¨n n©u ViÖn quy ho¹ch thuû lîi Tãm t¾t: trong tÝnh to¸n tiªu tho¸t cho ®« thÞ, n«ng nghiÖp. ViÖc tÝnh to¸n l­îng m­a, c­êng ®é m­a tiªu lµ c«ng t¸c quan träng. Nã lµ tµi liÖu ®Çu vµo cña bµi to¸n tiªu. TÝnh to¸n m­a tiªu ®óng s¸t víi thùc tÕ sÏ gióp cho nhµ thiÕt kÕ tÝnh ®­îc quy m« c«ng tr×nh tiªu phï hîp víi nhiÖm vô cÇn tiªu. ViÖc lùa chän c«ng thøc tÝnh m­a tiªu cho phï hîp víi hoµn c¶nh, ®iÒu kiÖn cña ViÖt Nam lµ cÇn thiÕt. Bµi viÕt nh»m giíi thiÖu c¸c ph­¬ng tr×nh tÝnh m­a tiªu cña c¸c n­íc ®· sö dông vµ mét c«ng thøc tÝnh m­a tiªu cho c¸c thµnh phè ViÖt Nam. 1. TÝnh to¸n m­a tiªu cho c¸c thµnh phè trªn thÕ giíi. Tõ nh÷ng n¨m 70, trªn thÕ giíi c¸c khu c«ng nghiÖp lín ®­îc h×nh thµnh. Cïng víi sù më réng vµ x©y dùng míi c¸c khu ®« thÞ, viÖc tÝnh to¸n tiªu tho¸t n­íc m­a buéc ph¶i ®Æt ra ë møc cao h¬n ®Ó ®¸p øng ®­îc nh÷ng nhu cÇu thùc tÕ. Møc ®é quan träng cña c«ng t¸c nµy ë mçi vïng, mçi n­íc kh¸c nhau. ë Mü, Anh vµ c¸c n­íc thuéc ch©u ¢u, ng­êi ta ®· thµnh lËp c¸c Héi ®ång, Uû ban, Uû héi nh»m ®¸nh gi¸ l¹i tiªu tho¸t n­íc cho ®« thÞ (Urban Drainage Planning). TÝnh to¸n thuû v¨n ®« thÞ ®· h×nh thµnh tõ nh÷ng ®ßi hái cña thùc tÕ. Ng­êi ta bµn luËn nhiÒu vÒ ph­¬ng ph¸p tiÕp cËn, nh÷ng chØ tiªu tho¸t n­íc ®« thÞ, ®Æc biÖt nh÷ng vÊn ®Ò tÝnh to¸n m­a tiªu cho ®« thÞ. M« h×nh tÝnh to¸n tiªu tho¸t n­íc m­a ®« thÞ SWMM (Storm Water Management Model) cña Mü ®­îc ¸p dông kh¸ réng r·i trªn thÕ giíi. Trong M« h×nh nµy, ng­êi ta ph©n chia khu vùc tÝnh to¸n ra lµm nhiÒu vïng kh¸c nhau, trong mçi vïng vµ tiÓu vïng, c¸c ®Æc tr­ng mÆt ®Öm ®­îc coi lµ nh­ ®ång nhÊt. M­a thiÕt kÕ ®­îc tÝnh theo thêi ®o¹n ng¾n 5, 10, 30, 60 …phót. C¸c qu¸ tr×nh h×nh thµnh dßng ch¶y, qu¸ tr×nh tËp trung dßng ch¶y trªn c¸c tiÓu l­u vùc ®­îc kh¸i qu¸t ho¸ d­íi d¹ng c¸c ph­¬ng tr×nh to¸n häc. Toµn bé qu¸ tr×nh diÔn to¸n tõ m­a tíi l­u l­îng ë cöa ra ®­îc lËp tr×nh trªn m¸y tÝnh ®iÖn tö vµ ng­êi tÝnh to¸n sau khi ®· kiÓm ®Þnh m« h×nh, x¸c nhËn m« h×nh cã thÓ tiÕn hµnh m« pháng qu¸ tr×nh m­a dßng ch¶y theo c¸c kÞch b¶n kh¸c nhau. M« h×nh nµy ®· ®­îc kiÓm nghiÖm qua thùc tÕ cho kÕt qu¶ tÝnh chÝnh x¸c ®¸p øng ®­îc vÊn ®Ò thiÕt kÕ c¸c c«ng tr×nh tiªu tho¸t n­íc m­a thµnh phè thuéc n­íc Mü. Mçi n­íc trªn thÕ giíi sö dông c«ng thøc tÝnh m­a tiªu cho thµnh phè theo mét hÖ thøc kh¸c nhau. 1.1- ë Mü: Khi tÝnh to¸n m­a tiªu cho thµnh phè New York ng­êi ta dïng hÖ thøc. 105 t + 20 + i : C­êng ®é m­a (mm/phót) + t : Thêi gian m­a (phót) Khi ®ã l­îng n­íc tiªu tÝnh theo c«ng thøc hîp lý Q = C.i . F Trong ®ã: Q: L­îng n­íc cÇn tiªu cho khu ®« thÞ (m3/phót) F: DiÖn tÝch mÆt b»ng cÇn tiªu (m2) C: HÖ sè dßng ch¶y. C < 1 §Ó tÝnh to¸n Q ng­êi ta sö dông c«ng thøc tÝnh hÖ sè dßng ch¶y theo c«ng thøc thùc nghiÖm cña Rossmiller 0,7 C = 7,7.10−7.CD3.P0,5 (0,01CD)−0,6S00,2 .(0,001CD)1,48(0,15−i)  Kt  1 Trong ®ã: P: Chu kú m­a lËp l¹i (n¨m) S0: §é dèc bÒ mÆt khu tiªu (%) I: C­êng ®é m­a (inch/h) Fkt: PhÇn diÖn tÝch kh«ng thÊm n­íc trªn l­u vùc (%) CD: ChØ sè dßng ch¶y x¸c ®Þnh theo tµi liÖu chuyªn m«n 1.2. ë Nga: L­îng n­íc m­a ®­îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc Zm.A1,2 .F 1,2x−0,1 r Trong ®ã: - Zm: hÖ sè mÆt phñ trung b×nh cña l­u vùc lµ gi¸ trÞ trung b×nh chung cña hÖ sè mÆt phñ. - A: HÖ sè phô thuéc vµo chu kú lÆp l¹i cña trËn m­a vµ ®Æc ®iÓm khÝ hËu cña vïng; hÖ sè A ®­îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: A = q20.201+ logmg  - q20: c­êng ®é m­a cña ®Þa ph­¬ng víi thêi gian m­a 20 phót khi (P = 1 n¨m) - n,: ChØ sè ®Æc thï cña ®Þa ph­¬ng - mg: L­îng m­a trung b×nh n¨m cña ®Þa ph­¬ng (mm) - F : DiÖn tÝch l­u vùc tho¸t n­íc m­a (m2) - P : Chu kú lÆp l¹i cña trËn m­a - tr: thêi gian m­a tÝnh to¸n b»ng thêi gian ch¶y cña n­íc m­a trªn bÒ mÆt vµ trong cèng ®Õn tiÕt diÖn tÝnh to¸n. Khi ®ã l­u l­îng m­a tÝnh to¸n tÝnh theo c«ng thøc: Qt = . Qr -: hÖ sè cã quan hÖ víi chØ sè n n  0,7 lÊy  = 0,65 n  0,4 lÊy  = 0,80 Khi ®é dèc bÒ mÆt tõ 0,01 – 0,03 th×  t¨ng lªn 10- 15% Khi ®é dèc bÒ mÆt tõ > 0,03 th×  =1,0 1.3- ë Anh: Sö dông c«ng thøc tÝnh c­êng ®é m­a thiÕt kÕ. im = 20+tn im: C­êng ®é m­a hiÖu qu¶ (inch/h) tn : Thêi gian tËp trung dßng ch¶y n­íc m­a trªn l­u vùc (phót) Khi tÝnh ®­îc im ng­êi ta tÝnh l­u l­îng n­íc m­a theo c«ng thøc hîp lý: Q = C.im.F ë ®©y hÖ sè C lÊy theo thùc nghiÖm víi hÖ sè 0,7 < C < 1 2 1.4- ë Ph¸p. Víi nh÷ng vïng cã l­îng m­a tíi 2000 mm/n¨m sö dông c«ng thøc QM = 770.I0,18 .C1,1 .F0,8 QM: L­u l­îng m­a (l/s) I : §é dèc bÒ mÆt l­u vùc(%) C : HÖ sè dßng ch¶y C<1,0 F: DiÖn tÝch l­u vùc tho¸t n­íc m­a (ha) C«ng thøc nµy sö dông ë Ph¸p vµo n¨m 1949 vµ ®· sö dông ë mét sè n­íc cã quan hÖ víi Ph¸p. Sö dông c¸c c«ng thøc tÝnh n­íc m­a trªn, c¸c n­íc cã nÒn c«ng nghiÖp ph¸t triÓn ®· x©y dùng hÖ thèng tiªu tho¸t n­íc thµnh phè cña m×nh vµ cho ®Õn nay c¸c hÖ thèng tiªu nµy vÉn ph¸t huy hiÖu qu¶ tèt. TÊt nhiªn t×nh h×nh m­a g©y óng lò ë thµnh phè cña c¸c n­íc cã kh¸c nhau. VÝ dô ë Nga trËn m­a lín nhÊt ®Ó tÝnh to¸n còng chØ ®¹t 100 mm/ngµy. C«ng thøc trªn sö dông hÇu hÕt ë c¸c n­íc b¾c ¢u vµ ë Mü. Nh÷ng n­íc cã c­êng ®é m­a nhá vµ l­îng m­a r¶i ®Òu theo thêi gian n¨m. 2. TÝnh to¸n m­a tiªu ë ViÖt nam ViÖt nam n»m trong vïng khÝ hËu nhiÖt ®íi giã mïa. Mïa m­a kÐo dµi kho¶ng 5-6 th¸ng, nh­ng l­îng m­a mïa m­a chiÕm tíi 65 – 80% (tuú tõng vïng) l­îng m­a n¨m. M­a víi c­êng ®é lín th­êng do b·o, héi tô nhiÖt ®íi, Front l¹nh vµ c¸c tæ hîp cña chóng g©y ra. L­îng m­a ngµy lín nhÊt cã khi ®¹t tíi 800 mm/ngµy. M­a lín ®· g©y ngËp óng nghiªm träng néi thµnh c¸c thµnh phè. VÝ dô trËn m­a b·o ngµy 9-10 th¸ng 10 n¨m 1984 ë Hµ néi kÐo dµi h¬n 1 ngµy víi l­îng m­a 574 mm, c­êng ®é m­a lín nhÊt kho¶ng 136 mm/giê ®· lµm ngËp s©u hÇu hÕt c¸c ®­êng phè Hµ néi trong 10 giê víi ®é s©u tõ 0,5 ®Õn 0,7 m HÇu hÕt c¸c ®« thÞ lín ë ViÖt nam ®Òu n»m ë vïng thÊp. Cöa tiªu vµ n¬i nhËn n­íc tiªu hÇu hÕt lµ s«ng, Ýt cã thµnh phè tiªu tho¸t trùc tiÕp ra biÓn. Hµng n¨m vµo mïa m­a lò, khi c¸c ®« thÞ ®ang høng chÞu mét l­îng n­íc m­a lín th× n­íc s«ng l¹i d©ng cao, lµm t¾c nghÏn viÖc tiªu tho¸t (cã khi mùc n­íc s«ng cao h¬n ®é cao ®­êng phè ®Õn 4-7 m). §©y lµ ch­a kÓ ®Õn viÖc hÖ thèng kªnh tiªu tho¸t kh«ng ®­îc thiÕt kÕ x©y dùng ®ång bé mµ mang tÝnh ch¾p v¸. ViÖc ®æ chÊt th¶i r¾n bõa b·i xuèng lßng kªnh tiªu vµ lÊn chiÕm lßng dÉn tiªu ®· lµm cho viÖc tiªu tho¸t khã kh¨n cµng khã kh¨n h¬n. Ph¸t triÓn ®« thÞ ®ßi hái ph¶i x©y dùng quy ho¹ch tiªu tho¸t n­íc. §· cã nhiÒu c¬ quan thuéc Bé X©y Dùng vµ Bé Thuû Lîi (cò) ®· m¹nh d¹n øng dông c¸c thµnh tùu c«ng nghÖ khoa häc míi trªn thÕ giíi ®Ó tÝnh to¸n tiªu tho¸t n­íc ®« thÞ. Trªn nÒn t¶ng cña m« h×nh SWMM. Nh÷ng kÕt qu¶ ®¹t ®­îc trong tÝnh to¸n tiªu tho¸t n­íc ®« thÞ ë ViÖt nam cßn nhiÒu h¹n chÕ. Nguyªn nh©n chÝnh kh«ngph¶ilµdoph­¬ngph¸ptiÕpcËnkh«ng®óngmµdosèliÖuc¬b¶nkh«ng®Çy®ñ,kh«ng®ångbé. HiÖn nay ë ViÖt nam th­êng dïng ph­¬ng ph¸p c­êng ®é giíi h¹n ®Ó tÝnh m­a tiªu cho ®« thÞ: Q = q.F.β. : HÖ sè dßng ch¶y Q: L­u l­îng tÝnh theo (l/s) q: C­êng ®é m­a tÝnh theo (l/s/ha) C­êng ®é m­a ®­îc tÝnh theo nhiÒu c«ng thøc kh¸c nhau. + Nh÷ng khu vùc cã ®ñ tµi liÖu ®o m­a tù ghi, tÝnh to¸n q theo c«ng thøc: Aj.(1+Cm logP) (t +b.P )n Aj, C, m, n: lµ c¸c th«ng sè ®Þa ph­¬ng P : Chu kú lÆp l¹i cña trËn m­a tiªu chän b : Th«ng sè x¸c ®Þnh theo 3 b = b0.pm (b0: gi¸ trÞ cña th«ng sè khi p = 1 n¨m) t : Thêi gian m­a tÝnh to¸n (phót) + Nh÷ng khu vùc thiÕu tµi liÖu ®o m­a tù ghi (20+b)n.q20(1+C.logP) (t +b.pm )n Thêi gian m­a tÝnh to¸n ®­îc x¸c ®Þnh ttt = tm + tr +Σt0 (phót) tm: Thêi gian ®Ó giät m­a tõ n¬i xa nhÊt ®Õn r·nh tho¸t n­íc ®­êng phè. Víi nh÷ng khu ®« thÞ kh«ng cã m¹ng l­íi tho¸t n­íc m­a cÇn x¸c ®Þnh tm theo tõng tr­êng hîp cô thÓ, nh­ng tm ≥ 10 phót (®èi víi khu d©n c­); víi c¸c tiÓu khu cã m¹ng l­íi tho¸t n­íc tÝnh tm = 5 phót. tr: thêi gian n­íc m­a ch¶y tõ r·nh n­íc m­a tíi giÕng thu nhËn n­íc m­a (phót) 1,25.Lr r 60.Vr Lr: ChiÒu dµi r·nh tËp trung n­íc tÝnh ®Õn giÕng thu (m) Vr: VËn tèc n­íc ch¶y cuèi r·nh (m/s) - t0: Thêi gian n­íc m­a ch¶y trong cèng ®Õn tiÕt diÖn tÝnh to¸n hoÆc kÕt thóc, ®­êng èng nh¸nh ®Õn ®­êng èng chÝnh (phót). t0 = M60.V0 L0 : ChiÒu dµi ®o¹n cèng (m) VO: VËn tèc dßng ch¶y trong ®o¹n cèng (m/s) HÖ sè M cã quan hÖ mËt thiÕt tíi ®é dèc bÒ mÆt khu tiªu 0 Khi 0 < 0,01 lÊy M = 2,0 Khi 0 = 0,01  0,03 lÊy M = 1,5 Khi 0 > 0,03 lÊy M = 1,2 HÖ sè dßng ch¶y () ®­îc x¸c ®Þnh theo hÖ thøc:  = Zm . q0,2. L0,1 Zm: HÖ sè mÆt phñ trung b×nh cña toµn l­u vùc (theo tiªu chuÈn ngµnh 20 CTN – 51 – 84. HÖ sè Z vµ  ®­îc x¸c ®Þnh: B¶ng: HÖ sè Zm vµ  theo 20 CTN – 51 – 84 D¹ng bÒ mÆt HÖ sè Zm HÖ sè  M¸i nhµ vµ mÆt ®­êng bª t«ng 0,240 0,950 MÆt ®­êng b»ng ®¸ ®Ïo, ®­êng nhùa 0,224 0,60 MÆt ®­êng ®¸ héc 0,145 0,45 MÆt ®­êng ®¸ d¨m kh«ng cã chÊt kÕt dÝnh 0,125 0,40 §­êng trong v­ên b»ng sái 0,095 0,35 MÆt ®Êt trèng 0,064 0,3 B·i cá 0,038 0,15 Trong tÝnh to¸n dù ¸n kh¶ thi tiªu tho¸t n­íc cho Hµ Néi giai ®o¹n 1995 – 2010 cña ®oµn chuyªn gia Jica ®· sö dông c«ng thøc tÝnh c­êng ®é m­a ë Hµ Néi do Bé X©y dùng thiÕt lËp nh­ sau: 4 I = 0,36.5416(1+ 0,25.logP.t0,13 ) Trong ®ã: I: C­êng ®é m­a (mm/h) (36mm/h = 100 l/s/ha) P: Chu kú lÆp l¹i cña trËn m­a (n¨m) t: Thêi gian tËp trung óng ngËp (phót) Mét d¹ng c«ng thøc kh¸c do tr­êng §¹i häc X©y dùng thiÕt lËp n¨m 1990 nh­ sau: 5890(1+0,65.logP) (t + 20P0,18 )0,84 C¸c ký hiÖu cña c«ng thøc gièng nh­ c«ng thøc cña Bé XD. §­êng cong biÓu diÔn c­êng ®é m­a ®­îc x¸c ®Þnh nh­ sau: §­êng cong nµy cã so s¸nh víi ®­êng cong vµ c«ng thøc tÝnh c­êng ®é m­a ë mét sè n­íc. Thµnh phè Kuala Lumpur (I1) Phï KiÖt (I2) El Alligh (I3) Jakarta (I4) Baranghija (I5) Tokyo (I6) Hµ Néi C«ng thøc tÝnh I = 7000/(t + 29) I = 6118/(t + 27,4) I = 1060/(t + 22) I = 7964/(t1/20 + 48,8) I = 146,5 x 103/(t+100)1,491 I = 5000/(t + 40) 5890(1+0,65.logP) (t + 20P0,18 )0,84 5 ... - tailieumienphi.vn