Các hệ thống quản lý nước mưa đô thị

426 Ch­¬ng 11 c¸c HÖ thèng qu¶n lý n­íc m­a ®« thÞ 11.1. Õú thTng qußn lÖ n­Æc m­a ®s thÞ C¸c hÖ thèng qu¶n lý n­íc m­a ®« thÞ bao gåm tÊt c¶ c¸c thµnh phÇn chØ ®¹o, kiÓm so¸t vµ lµm thay ®æi l­îng vµ chÊt l­îng dßng ch¶y ®« thÞ. Mét hÖ thèng tho¸t n­íc ®« thÞ ®iÓn h×nh bao gåm c¸c tiÓu hÖ thèng kh¸c nhau (h×nh 11.1.1), chuyÓn n­íc m­a tõ n¬i nã t¸c ®éng ®Õn chç tiÕp nhËn n­íc. N¨m tiÓu hÖ thèng ®Æc tr­ng cña c¸c hÖ thèng nµy lµ: (1) tiÓu hÖ thèng dßng ch¶y trªn ®Êt hoÆc dßng ch¶y mÆt; (2) tiÓu hÖ thèng cèng r·nh tho¸t n­íc m­a hoÆc èng dÉn vËn chuyÓn; (3) tiÓu hÖ thèng t¹m gi÷ hoÆc tr÷ n­íc m­a; (4) tiÓu hÖ thèng kªnh vËn chuyÓn chÝnh hoÆc kªnh vËn chuyÓn hë vµ (5) tiÓu hÖ thèng tiÕp nhËn n­íc bao gåm c¸c s«ng, c¸c hå hoÆc c¸c ®¹i d­¬ng. TiÓu hÖ thèng dßng ch¶y trªn ®Êt biÕn ®æi l­îng m­a thµnh dßng ch¶y mÆt. C¸c ®­êng qu¸ tr×nh ®Çu ra hoÆc dßng ch¶y tõ tiÓu hÖ thèng dßng ch¶y trªn lµ ®Çu vµo ®i vµo tiÓu hÖ thèng cèng r·nh tho¸t n­íc m­a. TiÓu hÖ thèng nµy vËn chuyÓn dßng ch¶y tíi tiÓu hÖ thèng t¹m gi÷ n­íc m­a, tiÓu hÖ thèng kªnh chÝnh hoÆc tiÓu hÖ thèng tiÕp nhËn n­íc. §Çu ra hoÆc c¸c l­u l­îng tho¸t ra tõ tiÓu hÖ thèng t¹m gi÷ hoÆc tr÷ n­íc m­a cã thÓ trë thµnh ®Çu vµo ®i vµo tiÓu hÖ thèng kªnh chÝnh hoÆc tiÓu hÖ thèng tiÕp nhËn n­íc. §Çu ra tõ tiÓu hÖ thèng kªnh chÝnh cã thÓ lµ dßng ch¶y vµo hoÆc ®Çu vµo ®èi víi tiÓu hÖ thèng tr÷ n­íc m­a hoÆc tiÓu hÖ thèng tiÕp nhËn n­íc. C¸c kh¸i niÖm hÖ thèng ®ang ®­îc sö dông ngµy mét nhiÒu h¬n nh»m môc ®Ých t×m hiÓu vµ ph¸t triÓn c¸c gi¶i ph¸p trong c¸c vÊn ®Ò n­íc ®« thÞ phøc t¹p. C¸c vÊn ®Ò b¾t gÆp trong c¸c hÖ thèng n­íc ®« thÞ, vèn r¶i r¸c trong c¸c hÖ thèng, ph¶i ®­îc ph©n tÝch ®Ó tÝnh to¸n cho c¶ hai biÕn kh«ng gian vµ thêi gian. C¸c l­u vùc ®« thÞ thay ®æi theo kh«ng gian khi ®é dèc bÒ mÆt ®Êt, líp phñ vµ lo¹i ®Êt thay ®æi t¹i c¸c vÞ trÝ kh¸c nhau trong l­u vùc. 427 Chóng bÞ thay ®æi theo thêi gian bëi v× c¸c ®Æc tr­ng thñy v¨n thay ®æi theo thêi gian song song víi qu¸ tr×nh ®« thÞ ho¸. ViÖc ®­a vµo trong mét c«ng thøc to¸n häc c¸c hÖ thèng n­íc ®« thÞ ph©n phèi theo c¶ thêi gian vµ kh«ng gian lµ mét nhiÖm vô phøc t¹p. Bëi vËy, biÕn kh«ng gian ®«i khi ®­îc bá qua vµ hÖ thèng ®­îc xö lý nh­ mét hÖ thèng tËp trung. Mét sè biÕn kh«ng gian cã thÓ ®­îc gi÷ l¹i b»ng c¸ch ph©n chia toµn bé hÖ thèng l­u vùc thµnh mét vµi tiÓu hÖ thèng ®­îc xem xÐt tËp trung, sau ®ã liªn kÕt c¸c m« h×nh hÖ thèng tËp trung nµy víi nhau ®Ó ®­a ra mét m« h×nh cña toµn bé hÖ thèng. H×nh 11.1,1 KiÓu hÖ thèng tho¸t n­íc ®iÓn h×nh (theo Côc C«ng binh Hoa Kú, 1979) C¸c m« h×nh cã thÓ ®­îc sö dông nh­ c¸c c«ng cô ®Ó quy ho¹ch vµ qu¶n lý. NhiÒu kh¶o s¸t vµ nghiªn cøu ¶nh h­ëng cña ®« thÞ ho¸ ®Õn tæng l­îng dßng ch¶y ®· ®­îc thùc hiÖn. §Æc biÖt lµ mét vµi m« h×nh m« pháng l­u vùc ®· ®­îc ph¸t triÓn. Trong qu¶n lý n­íc m­a ®« thÞ, viÖc x¸c ®Þnh tr­êng dßng ch¶y vµ thiÕt kÕ tèi ­u c¸c m¹ng l­íi cèng tho¸t rÊt quan träng. C¸c m« h×nh dù b¸o dßng ch¶y s¾p xÕp theo thø tù tõ c«ng thøc tû lÖ næi tiÕng ®Õn c¸c m« h×nh m« pháng ®· ®Ò xuÊt nh­ m« h×nh qu¶n lý n­íc m­a (SWMM) (Huber vµ céng sù, 1975) ch¼ng h¹n. Trong qu¶n lý tµi nguyªn n­íc ®« thÞ, viÖc lµm gi¶m dßng ch¶y n­íc m­a lµ mét trong nh÷ng nhiÖm vô chñ yÕu. C¸c hÖ thèng cèng tho¸t n­íc m­a ®ãng mét vai trß quan träng trong c«ng viÖc nµy. §Ó thiÕt kÕ mét hÖ thèng cèng tho¸t n­íc m­a thÝch hîp, cÇn ph¶i ®¸nh gi¸ kh¸ chÝnh x¸c tr­êng dßng ch¶y n­íc m­a. 428 11.2. 6hiê t Hê cTng rýnh thÔ¸ t n­Æc m­a 11.2.1. TriÕt lý thiÕt kÕ PhÇn lín c¸c hÖ thèng cèng r·nh tho¸t n­íc m­a lµ c¸c hÖ thèng héi tô - ph©n nh¸nh hoÆc d¹ng h×nh c©y ®¬n gi¶n. Mét hÖ thèng cèng r·nh tho¸t n­íc m­a cã thÓ bao gåm mét sè lín c¸c cèng, chç nèi, lç cèng vµ lèi vµo céng thªm c¸c thiÕt bÞ ®iÒu chØnh hoÆc ho¹t ®éng ch¼ng h¹n nh­ c¸c cæng, van, ®Ëp n­íc, èng tho¸t n­íc, m¸y ®iÒu chØnh vµ tr¹m b¬m. C¸c thiÕt bÞ nµy cã hiÖu lùc nhê hÖ thèng ph©n chia thñy lùc nã thµnh mét sè tiÓu hÖ thèng. C¸c nh©n tè bao gåm trong thiÕt kÕ c¸c hÖ thèng cèng tho¸t n­íc m­a lµ x¸c ®Þnh c¸c ®­êng kÝnh, ®é dèc vµ c¸c cao tr×nh ®Ønh hoÆc vßm cèng ®èi víi mçi èng trong hÖ thèng. Theo quan ®iÓm kü thuËt, bµi to¸n tho¸t n­íc cã thÓ ®­îc ph©n chia thµnh hai h­íng: dù b¸o dßng ch¶y vµ thiÕt kÕ hÖ thèng. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, sù cè g¾ng ®¸ng kÓ ®· dµnh hÕt cho viÖc dù b¸o dßng ch¶y trong c¸c khu vùc ®« thÞ. H­íng thø hai lµ bµi to¸n tho¸t n­íc (ph­¬ng ph¸p thiÕt kÕ) Ýt ®­îc chó ý h¬n. C¸c lo¹i m« h×nh thiÕt kÕ c¬ b¶n lµ c¸c m« h×nh thiÕt kÕ thñy lùc vµ c¸c m« h×nh thiÕt kÕ tèi ­u (môc 11.4). C¸c m« h×nh thiÕt kÕ thñy lùc x¸c ®Þnh c¸c kÝch th­íc cèng nhê sö dông chØ c¸c nghiªn cøu thñy lùc. C¸ch bè trÝ hÖ thèng cèng ®­îc x¸c ®Þnh l¹i vµ ®é dèc cèng th­êng ®­îc gi¶ thiÕt theo ®é dèc ®Êt. Kh¸i niÖm c¬ b¶n lµ x¸c ®Þnh kÝch th­íc cèng cùc tiÓu cã kh¶ n¨ng t¶i l­u l­îng thiÕt kÕ d­íi ®iÒu kiÖn dßng ch¶y träng lùc èng ®Çy. V× thÕ, nhiÒu trong sè gäi lµ c¸c “ph­¬ng ph¸p thiÕt kÕ cèng” thùc tÕ lµ c¸c ph­¬ng ph¸p m« pháng hoÆc dù b¸o dßng ch¶y ®Ó cung cÊp c¸c biÓu ®å thñy v¨n thiÕt kÕ. C¸c rµng buéc vµ c¸c gi¶ thiÕt sau ®©y th­êng ®­îc sö dông trong thùc tÕ thiÕt kÕ cèng tho¸t n­íc m­a: a. §èi víi c¸c l­u l­îng thiÕt kÕ, dßng ch¶y mÆt lµ tù do, nghÜa lµ hÖ thèng cèng ®­îc thiÕt kÕ cho dßng ch¶y “träng lùc” ®Ó c¸c tr¹m b¬m vµ c¸c cèng cã ¸p kh«ng ®­îc xem xÐt. b. C¸c cèng lµ c¸c èng trßn cã ®­êng kÝnh kh«ng nhá h¬n 8 in s½n cã ®Ó sö dông vÒ ph­¬ng diÖn th­¬ng m¹i. c. §­êng kÝnh thiÕt kÕ lµ ®­êng kÝnh èng nhá nhÊt s½n cã ®Ó sö dông vÒ ph­¬ng diÖn th­¬ng m¹i, cã n¨ng lùc dßng ch¶y ®¹t hoÆc v­ît l­u l­îng thiÕt kÕ vµ tháa m·n tÊt c¶ c¸c rµng buéc thÝch hîp. d. Cèng tho¸t n­íc m­a ph¶i ®­îc ®Æt t¹i ®é s©u sÏ kh«ng dÔ bÞ ¶nh h­ëng ®Õn sù ®ãng b¨ng (cña n­íc trong mïa ®«ng) ®Õn nÒn mãng cña èng vµ cho phÐp ®ñ ªm ®Ó ng¨n ngõa èng bÞ vì do träng t¶i trªn mÆt ®Êt. 429 e. C¸c cèng ®­îc nèi t¹i c¸c chç nèi sao cho cao tr×nh ®Ønh cña cèng phÝa th­îng l­u kh«ng thÊp h¬n cao tr×nh ®Ønh cña cèng phÝa h¹ l­u. f. §Ó ng¨n ngõa hoÆc lµm gi¶m sù båi l¾ng qu¸ møc cña c¸c vËt liÖu r¾n trong c¸c cèng, mét tèc ®é dßng ch¶y nhá nhÊt cã thÓ chÊp nhËn ®­îc víi l­u l­îng thiÕt kÕ hoÆc víi dßng ch¶y träng lùc èng ®Çy ph¶i ®­îc x¸c ®Þnh (nghÜa lµ 2,5 ft/s). g. §Ó ng¨n ngõa sù xuÊt hiÖn cña xãi vµ c¸c ¶nh h­ëng kh«ng mong muèn kh¸c cña dßng ch¶y tèc ®é cao, mét tèc ®é dßng ch¶y cùc ®¹i cã thÓ chÊp nhËn ®­îc còng ph¶i ®­îc x¸c ®Þnh. C¸c tèc ®é cùc ®¹i trong c¸c cèng rÊt quan träng do tiÒm Èn kh¶ n¨ng xãi qu¸ møc trªn c¸c vßm vâm xuèng cña cèng. h. T¹i bÊt kú mét chç nèi hoÆc lç cèng nµo, cèng phÝa h¹ l­u ®Òu kh«ng thÓ nhá h¬n bÊt kú mét trong nh÷ng cèng phÝa th­îng l­u t¹i chç nèi ®ã. i. HÖ thèng cèng lµ mét m¹ng l­íi h×nh c©y héi tô vÒ phÝa h¹ l­u kh«ng cã c¸c ®­êng vßng khÐp kÝn. 11.2.2. Ph­¬ng ph¸p tû lÖ Ph­¬ng ph¸p tû lÖ, cã thÓ ®­îc truy nguyªn ®Õn gi÷a thÕ kû thø 19, vÉn cã thÓ lµ ph­¬ng ph¸p phæ biÕn nhÊt sö dông ®Ó thiÕt kÕ c¸c cèng tho¸t n­íc m­a. MÆc dï nh÷ng chØ trÝch vÒ sù tháa ®¸ng cña ph­¬ng ph¸p vÉn ®­îc ®­a ra vµ mét vµi c¸c ph­¬ng ph¸p tiªn tiÕn h¬n kh¸c ®· ®­îc ®Ò xuÊt, nh­ng do tÝnh ®¬n gi¶n mµ ph­¬ng ph¸p tû lÖ vÉn ®ang tiÕp tôc ®­îc sö dông ®Ó thiÕt kÕ cèng khi kh«ng yªu cÇu ®é chÝnh x¸c cao vÒ tèc ®é dßng ch¶y. Sö dông ph­¬ng ph¸p tû lÖ, ®Ønh dßng ch¶y do m­a ®­îc ­íc tÝnh b»ng c¸ch sö dông c«ng thøc tû lÖ: iQ C A (11.2.1) trong ®ã: dßng ch¶y ®Ønh ­íc l­îng Q tÝnh b»ng ft3/s, C lµ hÖ sè dßng ch¶y (b¶ng 11.2.1), i lµ c­êng ®é m­a trung b×nh tÝnh b»ng in/h vµ A lµ diÖn tÝch tho¸t n­íc tÝnh b»ng mÉu Anh. Trong c¸c khu vùc ®« thÞ, khu vùc tho¸t n­íc th­êng bao gåm c¸c tiÓu khu vùc hoÆc c¸c tiÓu l­u vùc cã c¸c ®Æc tr­ng bÒ mÆt kh¸c nhau vÒ c¨n b¶n. Nh­ mét kÕt qu¶, ph©n tÝch ®a hîp yªu cÇu ph¶i tÝnh c¸c ®Æc tr­ng bÒ mÆt kh¸c nhau. C¸c khu vùc cña c¸c tiÓu l­u vùc ®­îc biÓu thÞ b»ng iA vµ c¸c hÖ sè dßng ch¶y cña mçi tiÓu l­u vùc ®­îc biÓu thÞ b»ng iC . Khi ®ã, dßng ch¶y ®Ønh ®­îc tÝnh nhê sö dông d¹ng sau ®©y cña c«ng thøc tû lÖ: ¹ 1 ACiQ m j j   (11.2.2) trong ®ã: m lµ sè tiÓu l­u vùc tiªu n­íc b»ng mét cèng. 430 C­êng ®é m­a ( i ) lµ tèc ®é m­a trung b×nh tÝnh b»ng in/h ®­îc xem xÐt ®èi víi c¸c l­u vùc tho¸t n­íc bé phËn hoÆc c¸c tiÓu l­u vùc. C­êng ®é m­a ®­îc lùa chän trªn c¬ së thêi ®o¹n m­a thiÕt kÕ vµ tÊn suÊt xuÊt hiÖn thiÕt kÕ. Thêi ®o¹n thiÕt kÕ b»ng thêi gian tËp trung ®èi víi khu vùc tho¸t n­íc ®ang ®­îc nghiªn cøu. TÇn suÊt xuÊt hiÖn lµ mét biÕn thèng kª, ®­îc thiÕt lËp b»ng c¸c tiªu chuÈn thiÕt kÕ hoÆc ®­îc kü s­ lùa chän nh­ mét tham sè thiÕt kÕ. Thêi gian tËp trung ( ct ) sö dông trong ph­¬ng ph¸p tû lÖ lµ thêi gian liªn kÕt dßng ch¶y ®Ønh tõ l­u vùc s«ng ®Õn ®iÓm quan t©m. Dßng ch¶y tõ mét l­u vùc th­êng ®¹t tíi ®Ønh t¹i thêi gian mµ toµn bé l­u vùc ®Òu ®ãng gãp. Trong tr­êng hîp ®ã, thêi gian tËp trung lµ thêi gian ®Ó mét giät n­íc t¹o thµnh dßng ch¶y ch¶y tõ ®iÓm xa nhÊt trong l­u vùc tíi ®iÓm quan t©m. Dßng ch¶y cã thÓ ®¹t tíi ®Ønh tr­íc thêi gian toµn bé l­u vùc ®Òu ®ãng gãp. Quy tr×nh thö sai cã thÓ ®­îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh thêi gian tËp trung tíi h¹n. Thêi gian tËp trung ®Õn mét ®iÓm bÊt kú trong mét hÖ thèng tho¸t n­íc m­a b»ng tæng cña thêi gian lèi vµo ( ot ) vµ thêi gian ch¶y trong c¸c cèng phÝa th­îng l­u nèi víi l­u vùc ( ft ), nghÜa lµ: foc ttt  (11.2.3) víi thêi gian ch¶y b»ng:  j j f V L t (11.2,4) trong ®ã: jL lµ chiÒu dµi däc theo ®­êng dÉn dßng ch¶y cña èng thø j vµ jV lµ tèc ®é dßng ch¶y trung b×nh trong èng. Thêi gian lèi vµo ot lµ thêi gian dµi nhÊt ®Ó dßng ch¶y cña n­íc trªn ®Êt trong mét l­u vùc ®¹t tíi lèi vµo cèng tho¸t n­íc m­a cña l­u vùc. VÝ dô 11.2.1. H·y x¸c ®Þnh c¸c ®­êng kÝnh cña c¸c èng 5,1; 5,2; 5,3; 6,1 vµ 7,1 trong l­u vùc tho¸t n­íc Goodwin Avenue ë Urbana, Illinois (h×nh 11.2.1). C¸c ®Æc tr­ng cña l­u vùc ®­îc liÖt kª trong b¶ng 11.2.2. Søc t¶i cña cèng trong hÖ thèng ph¶i xö lý ®­îc dßng ch¶y mÆt do m­a 2 n¨m g©y ra. Quan hÖ m­a - c­êng ®é - thêi ®o¹n ®èi víi thêi kú xuÊt hiÖn l¹i 2 n¨m còng ®­îc cho trong b¶ng 11.2.2, DiÖn tÝch tho¸t n­íc 14,65 mÉu Anh cã   52,10CA vµ thêi gian tËp trung 2,15ct phót, dßng ch¶y vµo ®Çu phÝa th­îng l­u cña èng 5,1 ®i qua 1 èng kh«ng ®­îc thÓ hiÖn. Lêi gi¶i. C¸c thêi gian lèi vµo ®èi víi c¸c tiÓu l­u vùc trong l­u vùc s«ng ®­îc cho trong b¶ng 11.2.2. ThÓ hiÖn trong b¶ng 11.2.3 lµ c¸c tÝnh to¸n ®Ó thiÕt kÕ c¸c èng cèng. HÖ sè nh¸m Manning n b»ng 0.014 ®èi víi tÊt c¶ c¸c cèng. VÝ dô nµy chøng minh r»ng: trong ph­¬ng ph¸p tû lÖ, mçi cèng ®­îc thiÕt kÕ riªng biÖt vµ kh«ng phô thuéc (trõ ®èi víi tÝnh to¸n thêi gian ch¶y trong cèng) vµ t­¬ng 431 øng víi c­êng ®é m­a i ®­îc tÝnh lÆp l¹i ®èi víi diÖn tÝch tho¸t n­íc b»ng cèng. §èi víi cèng ®· cho, tÊt c¶ c¸c diÖn tÝch kh¸c nhau tho¸t n­íc b»ng cèng nµy ®Òu cã i gièng nhau. V× vËy, khi qu¸ tr×nh thiÕt kÕ tiÕn tíi c¸c cèng ë h¹ l­u, diÖn tÝch tho¸t n­íc t¨ng lªn vµ do ®ã, thêi gian tËp trung còng th­êng t¨ng lªn. Sù t¨ng lªn lÇn l­ît cña ct sinh ra sù gi¶m cña i ph¶i ®­îc ¸p dông ®èi víi toµn bé diÖn tÝch tho¸t n­íc b»ng cèng. 11.¶. 4h­·ng ph¸p thiê t Hê - ¬ng biÓu ®å thñy v¨n C¸c ph­¬ng ph¸p thiÕt kÕ biÓu ®å thñy v¨n coi c¸c biÓu ®å thñy v¨n thiÕt kÕ lµ ®Çu vµo ®èi víi ®Çu phÝa th­îng l­u cña cèng vµ sö dông mét sè d¹ng diÔn to¸n ®Ó truyÒn biÓu ®å qu¸ tr×nh dßng ch¶y vµo ®Õn ®Çu phÝa h¹ l­u cña cèng. BiÓu ®å thñy v¨n ®· diÔn to¸n ®­îc gép vµo biÓu ®å qu¸ tr×nh dßng ch¶y mÆt tíi lç cèng t¹i chç nèi phÝa h¹ l­u, c¸c biÓu ®å thñy v¨n ®· diÔn to¸n ®èi víi mçi cèng còng ®­îc gép vµo. C¸c biÓu ®å thñy v¨n kÕt hîp ®èi víi tÊt c¶ c¸c èng nèi phÝa h¹ l­u céng víi biÓu ®å qu¸ tr×nh dßng ch¶y mÆt m« t¶ biÓu ®å qu¸ tr×nh dßng ch¶y vµo thiÕt kÕ ®èi víi èng cèng tiÕp theo (kÒ liÒn) phÝa h¹ l­u. KÝch th­íc èng vµ ®é dèc cèng ®­îc lùa chän dùa trªn c¬ së gi¶i quyÕt ®Ó kÝch th­íc èng th­¬ng m¹i cã thÓ xö lý l­u l­îng ®Ønh cña biÓu ®å qu¸ tr×nh dßng ch¶y vµo vµ duy tr× dßng ch¶y träng lùc. Ph­¬ng ph¸p thiÕt kÕ mét biÓu ®å thñy v¨n ®¬n gi¶n vµ kh¸ hiÖu qu¶ lµ ph­¬ng ph¸p biÓu ®å thñy v¨n thêi gian trÔ (Yen, 1978). Ph­¬ng ph¸p biÓu ®å thñy v¨n thêi gian trÔ lµ ph­¬ng ph¸p diÔn to¸n thñy v¨n (th«ng sè tËp trung). BiÓu ®å qu¸ tr×nh dßng ch¶y vµo cña mét cèng ®­îc dich chuyÓn nh­ng kh«ng thay ®æi h×nh d¹ng trong thêi gian dßng ch¶y trong cèng ft ®Ó ®em l¹i biÓu ®å qu¸ tr×nh dßng ch¶y ra khái cèng. T¹i c¸c thêi gian t­¬ng øng, c¸c biÓu ®å qu¸ tr×nh dßng ch¶y ra cña c¸c cèng phÝa th­îng l­u t¹i lç cèng ®­îc gép l¹i víi biÓu ®å qu¸ tr×nh dßng ch¶y vµo lç cèng trùc tiÕp ®Ó ®em l¹i biÓu ®å dßng ch¶y vµo ®èi víi cèng phÝa h¹ l­u theo ®óng víi quan hÖ liªn tôc: dt dS QQQ ojij  (11.3.1) trong ®ã: ijQ lµ dßng ch¶y vµo tõ cèng th­îng l­u thø i vµo chç nèi j , oQ lµ dßng ch¶y ra tõ chç nèi vµo cèng h¹ l­u, jQ lµ dßng ch¶y trùc tiÕp vµo lç cèng hoÆc chç nèi vµ S lµ n­íc tr÷ trong cÊu tróc chç nèi hoÆc lç cèng. §èi víi c¸c chç nèi lo¹i ®iÓm kh«ng cã l­îng tr÷ th× 0 dt dS . B¶ng 11.2.1 C¸c hÖ sè dßng ch¶y ®Ó sö dông ph­¬ng ph¸p tû lÖ (Chow, Maidment vµ Mays, 1988) 432 Thêi kú xuÊt hiÖn l¹i §Æc tr­ng cña bÒ mÆt 2 5 10 25 50 100 500 §· ph¸t triÓn Nhùa ®­êng Bª t«ng/m¸i nhµ C¸c diÖn tÝch cá §iÒu kiÖn xÊu (cá phñ Ýt h¬n 50 diÖn tÝch) Ph¼ng, 0 - 2 Trung b×nh, 2 - 7 Dèc, trªn 7 §iÒu kiÖn kh¸ tèt (cá phñ tõ trªn 50 ®Õn 75 diÖn tÝch) Ph¼ng, 0 - 2 Trung b×nh, 2 - 7 Dèc, trªn 7 §iÒu kiÖn tèt (cá phñ trªn 75 diÖn tÝch) Ph¼ng, 0 - 2 Trung b×nh, 2 - 7 Dèc, trªn 7 Ch­a ph¸t triÓn §Êt trång trät Ph¼ng, 0 - 2 Trung b×nh, 2 - 7 Dèc, trªn 7 §Êt ®ång cá/b·i réng Ph¼ng, 0 - 2 Trung b×nh, 2 - 7 Dèc, trªn 7 Rõng/vïng rõng Ph¼ng, 0 - 2 Trung b×nh, 2 - 7 Dèc, trªn 7 0,73 0,75 0,32 0,37 0,40 0,25 0,33 0,37 0,21 0,29 0,34 0,31 0,35 0,39 0,25 0,33 0,37 0,22 0,31 0,35 0,77 0,80 0,34 0,40 0,43 0,28 0,36 0,40 0,23 0,32 0,37 0,34 0,38 0,42 0,28 0,36 0,40 0,25 0,34 0,39 0,81 0,83 0,37 0,43 0,45 0,30 0,38 0,42 0,25 0,35 0,40 0,36 0,41 0,44 0,30 0,38 0,42 0,28 0,36 0,41 0,86 0,88 0,40 0,46 0,49 0,34 0,42 0,46 0,29 0,39 0,44 0,40 0,44 0,48 0,34 0,42 0,46 0,31 0,40 0,45 0,90 0,92 0,44 0,49 0,52 0,37 0,45 0,49 0,32 0,42 0,47 0,43 0,48 0,51 0,37 0,45 0,49 0,35 0,43 0,48 0,95 0,97 0,47 0,53 0,55 0,41 0,49 0,53 0,36 0,46 0,51 0,47 0,51 0,54 0,41 0,49 0,53 0,39 0,47 0,52 1,00 1,00 0,58 0,61 0,62 0,53 0,58 0,60 0,49 0,56 0,58 0,57 0,60 0,61 0,53 0,58 0,60 0,48 0,56 0,58 Thêi gian dßng ch¶y trong cèng ft ®­îc sö dông ®Ó thay ®æi biÓu ®å thñy v¨n ®­îc ­íc l­îng b»ng: V L t f  (11.3.2) trong ®ã: L lµ chiÒu dµi cèng vµ V lµ tèc ®é dßng ch¶y trong èng. Gi¶ thiÕt dßng ch¶y èng ®Çy, tèc ®é cã thÓ ®­îc tÝnh to¸n b»ng c¸ch sö dông: 433 H×nh 11.2,1 L­u vùc tho¸t n­íc vµ hÖ thèng cèng tho¸t n­íc m­a §¹i lé Goodwin ë Urbana, Illinois. (Yen, 1978) B¶ng 11.2.2 C¸c ®Æc tr­ng dÉn n­íc cña l­u vùc Goodwin Avenue vµ quan hÖ c­êng ®é - thêi ®o¹n - tÇn suÊt m­a (Yen, 1978) L­u vùc tho¸t n­íc tíi lç cèng Cao tr×nh mÆt ®Êt t¹i lç cèng (ft) DiÖn tÝch A (mÉu Anh) HÖ sè dßng ch¶y C Thêi gian lèi vµo (phót) ChiÒu dµi èng dßng ch¶y ra tÝnh tõ lç cèng 51 52 53 61 71 81 720,12 721,23 720,26 719,48 715,39 715,10 1,25 0,70 1,50 0,60 2,30 0,70 0,65 0,55 0,75 0,70 10.3 11.8 17,6 9,0 12.0 230 70 130 160 240 434 Quan hÖ c­êng ®é - thêi ®o¹n - tÇn suÊt m­a Thêi ®o¹n (phót) 5 10 15 20 C­êng ®é m­a (in/h) 5,4 4,18 3,51 3,1 B¶ng 11.2.3 TÝnh to¸n theo ph­¬ng ph¸p tû lÖ cho vÝ dô 11.2.1 (Goodwin Ave.) Sè gia Cèng ChiÒ u dµi L (ft) §é dèc So Tæng diÖn tÝch tho¸t n­íc (mÉu Anh) L­ u vùc DiÖn tÝch (mÉu Anh) C CA CA Thêi gian lèi vµo (phót ) Thêi gian dßng ch¶y æng th­îng l­u (phót) tc (phót ) tD (phót) i (in/h) L­u l­îng thiÕt kÕ QP (ft3/s) §­êng kÝnh tÝnh to¸n dr (ft) KÝch th­íc èng ®· sö dông d (ft) Tèc ®é dßng ch¶y (ft/s) Thêi gian ch¶y trong cèng (phót) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) (19) 5,1 230 0,0028 5,1 1,25 0,70 0,88 10.3 _ 10.3 15,2 14,65 10.52 15,2 3,5 36,8 3,13 3,50 3,8 1,00 5,2 70 0,00250 0,70 5,2 0,70 0,65 0,46 0,46 11.8 _ 11.8 11.8 3,90 1,79 0,67 0,67 5,1 0,23 5,3 130 0,0060 1,70 5,3 1,70 0,55 0,94 0,94 17,6 _ 17,6 17,6 3,30 3,10 1,07 1,25 2,5 0,86 6,1 160 0,017 6,1 0,6 0,75 0,45 9,0 _ 9,0 5,3 17,6 0,86 18,5 17,65 12.37 18,5 3,2 39,58 3,77 4,0 12.6 0,21 7,1 240 0,0012 7,1 2,3 0,70 1,61 19,95 13.98 18,7 3,2 44,7 3,94 4,0 Cét (3): §é dèc ®· chän ®¹t hoÆc v­ît ®é dèc ®Êt. Cét (4): Tæng diÖn tÝch tho¸t n­íc b»ng cèng b»ng tæng c¸c diÖn tÝch c¸c tiÓu l­u vùc tho¸t n­íc b»ng cèng. Cét (9:) Tæng CA ®èi víi tÊt c¶ c¸c diÖn tÝch tho¸t n­íc b»ng cèng b»ng tæng cña c¸c diÖn tÝch ®ãng gãp trong (9) céng víi c¸c diÖn tÝch trong (8) ®èi víi cèng ®ã. Cét (10): Thêi gian lèi vµo b»ng tæng thêi gian lèi vµo cña dßng ch¶y trªn ®Êt. Cét (11): Thêi gian ch¶y trong cèng cña cèng th­îng l­u gÇn nhÊt. Cét (12): Thêi gian tËp trung tc ®èi víi mçi mét trong c¸c ®­êng dÉn dßng ch¶y tíi h¹n cã thÓ céng víi thêi gian ch¶y trong cèng ®èi víi mçi ®­êng dÉn. Cét (13): Thêi ®o¹n m­a tD ®­îc gi¶ thiÕt b»ng tæng c¸c thêi gian tËp trung dµi nhÊt kh¸c nhau cña c¸c ®­êng dÉn dßng ch¶y kh¸c nhau ®Õn cæng vµo cña cèng xem xÐt. Cét (14): C­êng ®é m­a (i) ®èi víi thêi ®o¹n ë cét (13). Cét (15): L­u l­îng thiÕt kÕ tÝnh to¸n b»ng c¸ch sö dông ph­¬ng tr×nh (11.2,2), tÝch sè cña cét (9) vµ (14) Cét (16): §­êng kÝnh èng yªu cÇu tÝnh b»ng c¸ch sö dông 8/3 o r S Q 32,0d                  ®èi víi n = 0,014, Cét (17): KÝch th­íc èng th­¬ng m¹i lín h¬n gÇn nhÊt víi kÝch th­íc tÝnh trong cét (16). Cét (18): Tèc ®é dßng ch¶y b»ng )d/(Q4V 2 . Cét (19): Thêi gian ch¶y trong èng lµ L/V, cét (2) chia cho cét (18) 430 2d qQ V P   (11.3.) trong ®ã: PQ lµ l­u l­îng ®Ønh vµ d lµ ®­êng kÝnh èng. C¸c ph­¬ng tr×nh cña dßng ch¶y æn ®Þnh ®Òu ch¼ng h¹n nh­ ph­¬ng tr×nh Manning hoÆc Darcy- Weisbach còng cã thÓ ®­îc sö dông ®Ó tÝnh tèc ®é. Trong ph­¬ng ph¸p nµy, quan hÖ liªn tôc cña dßng ch¶y trong cèng kh«ng ®­îc xem xÐt trùc tiÕp. ViÖc diÔn to¸n dßng ch¶y trong cèng ®­îc thùc hiÖn b»ng c¸ch thay ®æi biÓu ®å qu¸ tr×nh dßng ch¶y vµo bëi ft vµ kh«ng ®Ó ý ®Õn tÝnh kh«ng æn ®Þnh vµ kh«ng ®Òu cña dßng ch¶y trong cèng. ViÖc thay ®æi c¸c biÓu ®å thñy v¨n gi¶i thÝch gÇn ®óng cho thêi gian tÞnh tiÕn dßng ch¶y nh­ng kh«ng x¶y ra sù suy gi¶m sãng. Tuy nhiªn, quy tr×nh tÝnh to¸n bëi phÐp néi suy l¹i mang ®Õn sù suy gi¶m sè trÞ. 11.«. 6hiê t Hê chi phÝ tTi thiÓu cña hú thTng cTng thÔ¸ t n­Æc m­a Trong thiÕt kÕ chi phÝ tèi thiÓu cña hÖ thèng cèng tho¸t n­íc m­a, sù tháa hiÖp gi÷a chi phÝ èng vµ chi phÝ ®µo ®­îc xem xÐt. §Ó vËn chuyÓn mét l­îng dßng ch¶y x¸c ®Þnh, sö dông mét ®é dèc èng dèc h¬n th× kÝch th­íc èng yªu cÇu sÏ nhá h¬n, v× vËy chi phÝ èng sÏ thÊp h¬n. Tuy nhiªn, chi phÝ vµ tæng l­îng ®µo sÏ lín h¬n. Ph­¬ng ph¸p luËn ®­îc lµm râ trong môc nµy cã thÓ ®­îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh kÕt hîp chi phÝ tèt nhÊt cña kÝch th­íc vµ ®é dèc c¸c èng vµ ®é s©u cña c¸c lç cèng ®èi víi mét m¹ng l­íi cèng ®Ó thu thËp vµ tiªu tho¸t dßng ch¶y do m­a tõ l­u vùc tho¸t n­íc ®« thÞ. Bëi v× ®é dèc cèng phô thuéc vµo c¸c cao tr×nh cuèi cña cèng nªn c¸c biÕn thiÕt kÕ lµ c¸c ®­êng kÝnh vµ c¸c cao tr×nh ®Ønh ë th­îng vµ h¹ l­u cña c¸c cèng vµ ®é s©u cña c¸c lç cèng. Ph­¬ng ph¸p luËn xem xÐt mét m¹ng l­íi bè trÝ nèi tiÕp c¸c lç cèng t¹i c¸c ®iÓm kh¸c nhau trong l­u vùc tho¸t n­íc. C¸c dßng ch¶y vµo thiÕt kÕ vµo trong c¸c hè nµy ®­îc x¸c ®Þnh tr­íc. C¸c nhiÖm vô chñ yÕu trong ph¸t triÓn vµ lËp c«ng thøc cña mét m« h×nh tèi ­u ®èi víi thiÕt kÕ c¸c hÖ thèng cèng tho¸t n­íc m­a bao gåm hai phÇn: a. M« t¶ bé c¸c lç cèng ë d¹ng thÝch hîp cho thao t¸c sè. b. Lùa chän c¸c kü thuËt tèi ­u hãa cho toµn bé m« h×nh. Nã ph¶i ®ñ linh ho¹t ®Ó xö lý ®­îc c¸c rµng buéc vµ c¸c gi¶ thiÕt trong thiÕt kÕ, c¸c d¹ng kh¸c nhau cña c¸c hµm chi phÝ, c¸c m« h×nh rñi ro, c¸c m« h×nh thñy lùc hoÆc thñy v¨n vµ ®Ó hîp nhÊt tÊt c¶ c¸c th«ng tin thiÕt kÕ. Ch­¬ng tr×nh ®éng lùc (DP) cã thÓ ®­îc øng dông ®Ó thiÕt kÕ hÖ thèng cèng tho¸t n­íc m­a víi chi phÝ tèi thiÓu (Mays vµ Yen, 1975; Tang vµ céng sù, 1975; Mays vµ Wenzel, 1976; Mays vµ céng sù, 1976). C¸c sè h¹ng cña DP: chÆng ®­êng, tr¹ng th¸i, quyÕt ®Þnh, chi phÝ vµ phÐp chuyÓn ®æi ®­îc ®Þnh nghÜa ë d­íi d­íi d¹ng c¸c b¶n sao cña chóng trong c¸c hÖ thèng cèng tho¸t n­íc m­a. 431 ChÆng ®­êng. C¸c ®­êng ¶o gäi lµ c¸c ®­êng ®ång nót ®­îc sö dông ®Ó ph©n chia m¹ng l­íi cèng thµnh c¸c chÆng ®­êng. C¸c ®­êng ¶o nµy ®­îc x¸c ®Þnh lµ chóng ®i qua hÕt c¸c lç cèng ®­îc t¸ch ra tõ cöa ra cña hÖ thèng bëi cïng mét sè mÆt c¾t ngang èng (c¸c chç nèi). Mét chÆng ®­êng bÊt kú i gåm c¸c èng nèi tiÕp c¸c lç cèng th­îng l­u trªn ®­êng i víi c¸c lç cèng h¹ l­u trªn ®­êng 1i . §èi víi hÖ thèng cã i = 1, 2,.……, I c¸c ®­êng ®ång nót vµ cã 1I chÆng ®­êng, c¸c lç cèng trªn ®­êng bÊt kú i ®­îc nèi víi cöa ra cña hÖ thèng bëi iI  mÆt c¾t ngang èng. Thùc chÊt, c¸c ®­êng ®ång nót ®­îc x©y dùng b¾t ®Çu t¹i cöa ra, tiÕn hµnh ng­îc dßng vµ ®­îc ®¸nh sè ®¶o ng­îc b»ng c¸ch b¾t ®Çu víi th­îng l­u vµ tiÕn hµnh xu«i dßng nh­ ®­îc thÓ hiÖn trªn h×nh 11.4,1 ®èi víi vÝ dô hÖ thèng cèng. C¸c tr¹ng th¸i. C¸c tr¹ng th¸i t¹i mçi chÆng ®­êng i lµ c¸c cao tr×nh ®Ønh cña c¸c èng. C¸c tr¹ng th¸i ®Çu vµo 1, ii mm S ®èi víi èng nèi víi c¸c lç cèng im vµ 1im trªn c¸c ®­êng ®ång nót i vµ 1i t­¬ng øng lµ c¸c cao tr×nh ®Ønh t¹i ®Çu phÝa th­îng l­u (lç cèng im ). T­¬ng tù, c¸c tr¹ng th¸i ®Çu ra 1, ~ ii mmS ®èi víi cïng èng nµy lµ c¸c cao tr×nh ®Ønh t¹i ®Çu phÝa h¹ l­u (lç cèng 1im ). C¸c lç cèng phÝa th­îng l­u t¹i chÆng ®­êng bÊt kú i ®­îc ®¸nh sè im = 1, 2, …, iM ®èi víi c¸c lç cèng trªn ®­êng i vµ c¸c lç cèng phÝa h¹ l­u ®­îc ®¸nh sè 1im = 1, 2, …, 1iM ®èi víi 1iM lç cèng trªn ®­êng 1i . H×nh 11.4,1 HÖ thèng cèng tho¸t n­íc m­a Goodwin Avenue nhê thÓ hiÖn c¸c ®­êng ®ång nót. C¸c quyÕt ®Þnh. C¸c quyÕt ®Þnh lµ sù gi¶m vÒ c¸c cao tr×nh ®Ønh cao nhÊt cña c¸c èng ®i ngang qua chÆng ®­êng; nghÜa lµ quyÕt ®Þnh 1, ii mm D m« t¶ vÐc t¬ cña c¸c sù gi¶m tõ lç th­îng 432 l­u im tíi lç h¹ l­u 1im . Cã mét bé c¸c quyÕt ®Þnh ®èi víi mçi èng ®i ngang qua chÆng ®­êng. Mçi sù gi¶m trong cao tr×nh m« t¶ mét ®é dèc ®Ó b»ng c¸ch sö dông ph­¬ng tr×nh Manning, gi¶ thiÕt dßng ch¶y èng ®Çy, ®­êng kÝnh èng cã thÓ ®­îc x¸c ®Þnh ®èi víi tèc ®é dßng ch¶y thiÕt kÕ. Chi phÝ. Chi phÝ t¹i mçi chÆng ®­êng lµ chi phÝ l¾p ®Æt mçi èng vµ chi phÝ ®µo c¸c lç cèng th­îng l­u t­¬ng øng cña c¸c èng nµy, nghÜa lµ: Thèng kª tæng céng cña mçi chÆng ®­êng i lµ     i i iiiiii M m mmmmmmi DSrr 111 ,,, . Mçi lç cèng trªn mét ®­êng ®ång nót phÝa th­îng l­u ph¶i ®­îc tho¸t n­íc tíi mét lç cèng trªn ®­êng ®ång nót phÝa h¹ l­u, kÕt qu¶ lµ tæng sè cã 1iM èng nèi tiÕp ®i ngang qua chÆng ®­êng i . PhÐp biÕn ®æi. Hµm biÕn ®æi ®Þnh nghÜa c¸ch trong ®ã c¸c tr¹ng th¸i ®Çu vµo (hoÆc c¸c cao tr×nh ®Ønh phÝa th­îng l­u) 1, ii mm S ®­îc chuyÓn ®æi thµnh c¸c tr¹ng th¸i ®Çu ra (hoÆc c¸c cao tr×nh ®Ønh phÝa h¹ l­u) 1, ~ ii mmS nhê c¸c biÕn quyÕt ®Þnh (hoÆc c¸c sù gi¶m vÒ cao tr×nh) 1, ii mmD . 111 ,, , ~   iiiiii mmmm mm DSS (11.4.1) Ch­¬ng tr×nh ®éng lùc sai ph©n rêi r¹c ®· m« t¶ trong môc 4.2 cã thÓ ®­îc sö dông nh­ kü thuËt tèi ­u ho¸. Kü thuËt lÆp lµ kü thuËt trong ®ã, ph­¬ng tr×nh ®Ö quy cña ch­¬ng tr×nh ®éng lùc ®­îc sö dông ®Ó nghiªn cøu ®èi víi hÖ thèng cèng tho¸t n­íc m­a c¶i tiÕn hoÆc cã chi phÝ thÊp h¬n trong kh«ng gian tr¹ng th¸i x¸c ®Þnh bëi mét hµnh lang hoÆc mét bé c¸c cao tr×nh ®Ønh kh¶ n¨ng t¹i ®Çu th­îng vµ h¹ l­u cña mçi èng. B­íc ®Çu tiªn trong viÖc x¸c ®Þnh hµnh lang lµ gi¶ thiÕt mét chuçi c¸c tr¹ng th¸i hoÆc cao tr×nh ®Ønh gäi lµ ®­êng ®i thö IiS ii mm ,......,2,1,1, ~   . C¸c tr¹ng th¸i ban ®Çu vµ cuèi cïng cña ®­êng ®i thö (nghÜa lµ: cao tr×nh ®Ønh phÝa th­îng l­u t¹i chÆng ®­êng 1 vµ cao tr×nh ®Ønh phÝa h¹ l­u t¹i chÆng ®­êng 1 ®èi víi mét hÖ thèng theo thø tù hoÆc kh«ng ph©n nh¸nh) ®­îc x¸c ®Þnh vµ ®é dèc cña tÊt c¶ c¸c cèng ®­îc gi¶ thiÕt lµ gièng hÖt nhau. Do ®ã, ®­êng ®i thö, c¸c cao tr×nh ®Ønh vµ c¸c quyÕt ®Þnh t­¬ng øng ®èi víi mçi chÆng ®­êng cña hÖ thèng cã thÓ ®­îc tÝnh to¸n. Khi c¸c nh¸nh ®­îc xe