Thủy văn đô thị

Ch−¬ng 6. thuû v¨n ®« thÞ ¶nh. Lò lôt ë Houston, Texas 6.1. ®Æc ®iÓm cña thuû v¨n ®« thÞ Ph¹m vi nghiªn cøu cña ch−¬ng nµy Ch−¬ng nµy m« t¶ c¸c kü thuËt th«ng dông trong thuû v¨n ®« thÞ, nhÊn m¹nh c¸c kü thuËt kh«ng ®−îc th¶o luËn tr−íc ®©y theo chñ ®Ò nµy vµ ®Æc biÖt lµ c¸c kü thuËt ®−îc c¶i tiÕn cô thÓ cho tõng ®« thÞ. Nh÷ng c¶i tiÕn nµy bao gåm tÝnh to¸n l−îng tæn thÊt dÞ th−êng qua viÖc x¸c ®Þnh l−îng m−a phô tréi, gi¶m thêi gian trÔ trong ph−¬ng ph¸p ®−êng qu¸ tr×nh thuû v¨n ®¬n vÞ, ®Æc biÖt nã nhÊn m¹nh c¸c kü thuËt sãng ®éng häc tíi viÖc x¸c ®Þnh ®−êng qu¸ tr×nh cña dßng ch¶y trµn. ViÖc lùa chän l−îng m−a ®Çu vµo cho cÊu tróc cña mét ®−êng qu¸ tr×nh m−a thiÕt kÕ lµ ®Æc biÖt quan träng trong thuû v¨n ®« thÞ bëi v× c¸c bÒ mÆt ®« thÞ kh«ng thÊm n−íc, biÕn ®æi nhanh l−îng m−a thµnh dßng ch¶y, do vËy nh÷ng biÕn ®æi cña l−îng m−a trong thêi gian ph¸t triÓn ng¾n trong ®−êng qu¸ tr×nh m−a th−êng sÏ t¹o nªn nh÷ng sù biÕn ®æi t−¬ng tù trong ®−êng qu¸ tr×nh dßng ch¶y thuû v¨n. C¸c cèng thuû lùc ngÇm vµ lùa chän c¸c biÖn ph¸p kiÓm 341 so¸t lò lôt ®« thÞ còng ®−îc bµn ®Õn. Mét vµi m« h×nh nhËn thøc øng dông m¸y tÝnh thuËn tiÖn trong c¸c ®« thÞ ®−îc xem xÐt cô thÓ. Trong ch−¬ng nµy còng bµn luËn ®Õn c¸c m« h×nh ®ang ë giai ®o¹n nghiªn cøu. C¸c tµi liÖu tham kh¶o tiÖn dông cho nghiªn cøu thuû v¨n ®« thÞ, bao gåm c¸c c«ng tr×nh cña Delleur vµ Dendrou (1980), Kibler (1982), Whipple vµ céng sù (1983), Walesh (1989), Moffa (1990) vµ Stagiêe - Urbonas (1990). Lêi më ®Çu MÆc dï c¸c nguyªn lý tù nhiªn cña vßng tuÇn hoµn n−íc ë c¸c khu vùc thuû v¨n ®« thÞ phÇn lín ®−îc b¶o toµn nh− mét khu vùc bÊt kú nµo kh¸c, tuy nhiªn, cßn ®−îc x¸c ®Þnh bëi hai tÝnh chÊt sau: 1. C¸c bÒ mÆt kh«ng thÊm n−íc chiÕm −u thÕ (vÝ dô: vØa hÌ, c¸c m¸i nhµ). 2. Tån t¹i c¸c hÖ thèng l−u vùc nh©n t¹o hoÆc c¸c hÖ thèng l−u vùc thuû lùc kh«ng thÊm n−íc (vÝ dô mét hÖ thèng cèng ngÇm). H×nh 6.1: ¶nh h−ëng cña viÖc ®« thÞ ho¸ trªn ®−êng qu¸ tr×nh dßng ch¶y thuû v¨n ®« thÞ. a) H×nh d¹ng. b) C¸c dßng ch¶y cùc ®¹i (Leopold, 1968). Do vËy, ¶nh h−ëng cña diÖn tÝch, ®é dèc vµ ®Êt ®¸ l−u vùc vïng ®« thÞ tíi l−îng m−a lín h¬n l−u vùc vïng n«ng th«n. Do ®ã, tæng l−îng dßng ch¶y mÆt vµo tõ mét l−u vùc ®« thÞ lín h¬n, bëi v× chóng cã c¸c khu vùc thÊm n−íc Ýt vµ tæn thÊt v× vËy còng Ýt h¬n l−u vùc n«ng th«n. C¸c tÝnh chÊt ®ã ®−îc minh häa trong h×nh (6.1). Tæng l−îng dßng ch¶y ¶nh h−ëng nhanh vµ lín h¬n, khi ®ã vÊn ®Ò kiÓm so¸t cÇn ®−îc gia t¨ng, c¸c tÝnh chÊt t−¬ng tù cña viÖc ®« thÞ ho¸ n«ng th«n còng cã xu h−íng t¹o nªn viÖc øng 342 dông c«ng nghÖ kü thuËt, mét phÇn nµo ®ã dÔ dµng h¬n, trong ph©n tÝch c¸c vÊn ®Ò, bëi v× viÖc tÝnh to¸n nh÷ng l−îng tæn thÊt ®−îc ®¬n gi¶n ho¸ vµ c¸c tÝnh chÊt vÒ h×nh d¹ng, ®é dèc vµ ®é nh¸m cña lßng dÉn ®−îc biÕt ®Õn tèt h¬n. Nh÷ng hÖ thèng l−u vùc trong c¸c khu vùc ®« thÞ dùa trªn c¸c lßng dÉn tù nhiªn, nh−ng phÇn lín c¸c thµnh phè ®Òu cã thªm mét m¹ng l−íi cèng ngÇm cho viÖc tiªu tho¸t n−íc lò. NÕu hÖ thèng nµy chØ dïng ®Ó tiªu tho¸t n−íc lò, nã ®−îc gäi lµ mét cèng ngÇm lò. NÕu c¸c cèng ngÇm nµy cßn mang theo n−íc th¶i sinh ho¹t th× nã ®−îc gäi lµ mét cèng ngÇm kÕt hîp. H×nh 6.2. HÖ thèng tiªu n−íc ®« thÞ (Metcalf vµ Eddy vµ c¸c céng sù, 1971). Mét cèng ngÇm kÕt hîp th−êng cã mét bé phËn ®iÒu tiÕt (c¸c cÊu tróc kiÓm so¸t thuû lùc nh− ®Ëp n−íc, vßi n−íc) ®Æt ë cuèi dßng, nã lµm chuyÓn h−íng dßng ch¶y mïa 343 kiÖt vµo trong mét thïng chøa n−íc, thïng nµy ®−îc mang ®i ®Ó nghiªn cøu (h×nh 6.2). Trong suèt thêi kú mïa m−a, khi tæng l−îng thuû lùc cña thïng chøa n−íc vµ bé phËn ®iÒu tiÕt qu¸ t¶i, xuÊt hiÖn sù ch¶y trµn trªn c¸c cèng ngÇm kÕt hîp (dßng ch¶y hçn hîp cña n−íc lò vµ n−íc th¶i sinh ho¹t), nã tho¸t trùc tiÕp ra kªnh m−¬ng g©y ra c¸c vÊn ®Ò vÒ « nhiÔm m«i tr−êng. Khi n−íc lò vµ n−íc th¶i sinh ho¹t ®−îc mang ®i trong c¸c cèng ngÇm riªng biÖt, nã ng−îc l¹i víi sù kÕt hîp. PhÇn lín c¸c thµnh phè hiÖn ®¹i cã c¸c hÖ thèng riªng biÖt, nh−ng nhiÒu thµnh phè l¹c hËu vÉn tån t¹i c¸c hÖ thèng cèng ngÇm kÕt hîp nh− thÕ, ®Æc biÖt ë vïng §«ng B¾c vµ miÒn Trung n−íc Mü. C¸c cèng ngÇm lò vµ cèng ngÇm kÕt hîp ®−îc l¾p ®Æt ®Ó tiªu tho¸t n−íc lò tõ bÒ mÆt ®Êt, do vËy nã ng¨n c¶n lò lôt vµ cho phÐp ch¶y trªn c¸c ®−êng quèc lé vµ ch¶y tù do. Nh− vËy, hÖ thèng cèng th−êng ®−îc thiÕt kÕ cho mét ®Ønh l−u l−îng thùc tÕ t−¬ng øng víi mét chu kú cho tr−íc (ch−¬ng 3) vµ ®−îc ®iÒu chØnh cho tõng vïng (tõ 2 ®Õn 5 n¨m cho l−u vùc gÇn ®« thÞ, vµ tõ 10 ®Õn 50 n¨m cho c¸c quèc lé chÝnh tiªu biÓu). Vµ lu«n lu«n nhËn thÊy r»ng, mét hÖ thèng cèng ngÇm lò (hoÆc hÖ thèng cèng ngÇm kÕt hîp) lµ mét hÖ thèng l−u vùc nhá cho n−íc lò. NÕu tæng l−îng cña c¸c cèng ngÇm bÞ qu¸ t¶i, dßng ch¶y sÏ lùa chän con ®−êng ch¶y theo bÒ mÆt c¸c lèi ®i, hoÆc hÖ thèng l−u vùc chÝnh. NÕu hÖ thèng bÒ mÆt (vÝ dô: c¸c ®−êng phè) kh«ng ®−îc thiÕt kÕ phï hîp víi mét dßng ch¶y nh− vËy, dßng ch¶y bÒ mÆt cã thÓ ph¸ huû c¸c c¬ së h¹ tÇng víi søc tµn ph¸ khñng khiÕp. Trong c¸c c«ng viÖc kh¸c, hÖ thèng l−u vùc chÝnh ph¶i lu«n lu«n ®−îc thiÕt kÕ ®Ó cã thÓ phßng chèng nh÷ng ¶nh h−ëng tiªu cùc cã thÓ x¶y ra hoÆc tæng l−îng dßng ch¶y v−ît qu¸ giíi h¹n tæng l−îng cña hÖ thèng cèng ngÇm tiªu tho¸t lò. VÊn ®Ò øng dông c«ng nghÖ kü thuËt trong thuû v¨n ®« thÞ VÊn ®Ò øng dông c«ng nghÖ kü thuËt trong thuû v¨n ®« thÞ th−êng cÇn thiÕt trong viÖc kiÓm so¸t dßng ch¶y cùc ®¹i vµ ®é s©u lín nhÊt trªn toµn bé hÖ thèng l−u vùc. NÕu ®é dèc thuû lùc qu¸ lín, c¸c cèng ngÇm cã thÓ qu¸ t¶i, ®iÒu ®ã cã nghÜa lµ mùc n−íc cã thÓ t¨ng v−ît qu¸ ®Ønh cña cèng ngÇm, g©y nªn lò lôt t¹i chç hoÆc ch¶y trµn lªn c¸c ®−êng phè. C¸c ®iÒu kiÖn thuËn lîi míi ph¶i ®−îc l−u ý khi thiÕt kÕ ®Ó sù xuÊt hiÖn t×nh tr¹ng ngËp lôt nh− trªn lµ nhá nhÊt vµ c¸c hÖ thèng l−u vùc ®ang tån t¹i ph¶i lu«n ®−îc ®iÒu chØnh ®Ó thÝch hîp víi t×nh tr¹ng ngËp lôt ®ã. Sù qu¸ t¶i tæng l−îng cña mét hÖ thèng ®ang tån t¹i lµ mét vÊn ®Ò phøc t¹p, th−êng xuyªn xuÊt hiÖn trong c¸c khu vùc míi ®−îc ph¸t triÓn víi mét hÖ thèng cèng ngÇm l¹c hËu. ChÊt l−îng n−íc cña dßng ch¶y ®« thÞ còng cã thÓ bÞ « nhiÔm (Lager vµ céng sù, 1977), ®Æc biÖt nh÷ng xö lý th« ®ßi hái ®Ó c¶i thiÖn chÊt l−îng n−íc cña dßng ch¶y tiªu tho¸t tr−íc ®ã vµo kªnh m−¬ng. §iÒu nµy ®Æc biÖt ®óng ®èi víi viÖc tiªu tho¸t c¸c dßng ch¶y trµn cña cèng ngÇm kÕt hîp (Field vµ Struzeski, 1972; Liªn ®oµn kiÓm so¸t « nhiÔm nguån n−íc, 1989). Nh÷ng lùa chän ®Ó kiÓm so¸t chÊt l−îng n−íc ®« thÞ lµ rÊt nhiÒu. Mét b¶ng liÖt kª cho trong b¶ng (6.1) vµ ®ang ®−îc tiÕp tôc th¶o luËn. Trong sù ph¸t triÓn hiÖn nay cã thÓ thiÕt kÕ mét hÖ thèng l−u vùc ®¬n gi¶n víi c¸c cèng ngÇm hoÆc c¸c lßng dÉn hë cã tæng l−îng thuû lùc ®ñ lín ®Ó cã thÓ tiªu tho¸t toµn bé l−îng n−íc ngËp óng trong thµnh phè, nh−ng ph−¬ng thøc nµy kh«ng kinh tÕ trong c¸c hÖ thèng thuû lùc l¹c hËu. ViÖc gi¶m c¸c cùc ®¹i lò lôt th«ng qua viÖc sö dông tr÷ l−îng n−íc trªn bÒ mÆt hoÆc trong hÖ thèng l−u vùc lµ ph−¬ng ph¸p lùa chän phæ biÕn nhÊt. Tr÷ l−îng n−íc cã hai lîi Ých lµ lµm t¨ng l−îng thÊm (nÕu tr÷ l−îng n−íc l−u vùc n»m trªn vïng ®Êt ®¸ 344 thÊm n−íc) vµ t¨ng l−îng bèc h¬i, do vËy viÖc gi¶m tæng l−îng dßng ch¶y còng h÷u Ých nh− viÖc gi¶m dßng ch¶y cùc ®¹i. H¬n n÷a, tr÷ l−îng n−íc ®ãng vai trß thuËn lîi trong viÖc kiÓm so¸t chÊt l−îng n−íc b»ng c¸c l¾ng ®äng bïn c¸t trong c¸c hå chøa. Cã nhiÒu lùa chän ®−îc bæ sung, rÊt tiÖn dông cho viÖc kiÓm so¸t chÊt l−îng n−íc (Field, 1984; Schueler, 1987; Liªn ®oµn kiÓm so¸t « nhiÔm n−íc, 1989). B¶ng 6.1:Ph−¬ng thøc kiÓm so¸t chÊt l−îng n−íc dßng ch¶y ®« thÞ §o ®¹c M« t¶ Tr÷ l−îng n−íc Sù ng¨n chÆn N−íc ®−îc gi÷ l¹i vµ tho¸t ra sau khi gi¶m dÇn bëi ¶nh h−ëng cña c¸c hå chøa. Sù duy tr× N−íc ®−îc gi÷ l¹i trong ®iÒu kiÖn thuËn lîi, kh«ng tho¸t xuèng dßng s«ng; ChØ ®−îc di chuyÓn th«ng qua thÊm vµ bèc h¬i. VÝ dô C¸c l−u vùc, c¸c bÓ chøa cô thÓ, tr÷ l−îng n−íc cã s½n trong hÖ thèng cèng ngÇm, c¸c miÒn ®Êt thÊp ë ®ång b»ng, c¸c b·i ®Ëu xe, c¸c m¸i nhµ vµ nhiÒu khu c«ng viªn. Nh÷ng thuËn lîi RÎ nÕu ®Êt cã thÓ dïng ®−îc; Cã thÓ khuyÕn khÝch vµ duy tr× sù c©n b»ng n−íc vµ dßng ch¶y. Nh÷ng khã kh¨n G©y tæn thÊt nÕu ®Êt kh«ng thÓ dïng ®−îc, tr÷ l−îng n−íc trªn vïng ®Êt ®ai hoang v¾ng (VÝ dô c¸c m¸i nhµ, c¸c khu ®Ó xe), kh«ng tr¸nh khái viÖc tån t¹i c¸c vÊn ®Ò phøc t¹p. Sù t¨ng l−îng thÊm Sù gi¶m khu vùc kh«ng thÊm n−íc Minh ho¹ VØa hÌ xèp rçng vµ c¸c khu ®Ó xe. Nh÷ng thuËn lîi §Èy m¹nh sù b¶o tån n−íc. Nh÷ng khã kh¨n Kh«ng thuËn lîi cho c¸c thµnh phè l¹c hËu; Kh«ng thÓ gi¶m dung l−îng cña nh÷ng trËn lò lín, g©y nªn c¸c vÊn ®Ò phøc t¹p trong x©y dùng. ViÖc ®o ®¹c kiÓm so¸t chuyÓn ®éng cña lò. Nh÷ng ®o ®¹c ®−îc l¾p ®Æt sö dông trong c¸c khu vùc ®« thÞ vµ n«ng th«n. VÝ dô Kªnh m−¬ng ho¸, ph©n ®íi vïng ®ång b»ng ngËp lôt,. Nh÷ng thuËn lîi Nguån ®−îc nghiªn cøu; ¶nh h−ëng trong c¸c khu vùc míi. Nh÷ng khã kh¨n Sù chia thµnh vïng, cã thÓ kh«ng thÝch hîp cho c¸c thµnh phè l¹c hËu. Lo¹i kh¸c VÝ dô Nh÷ng sù h¹n chÕ cöa vµo, ®−îc c¶i thiÖn sù duy tr×. Chó thÝch Nh÷ng lùa chän cho c¸c hÖ thèng l¹c hËu h¬n. ViÖc lùa chän c¸c ph−¬ng ph¸p kiÓm so¸t th−êng ¶nh h−ëng tÝch cùc tíi viÖc phßng chèng lò lôt trong suèt thêi kú thiÕt kÕ. Khi viÖc kiÓm so¸t ®−îc duy tr× mét c¸ch tèi ®a, viÖc ®¸nh gi¸ mét lÇn th−êng sÏ gi¶m dÇn trong khi viÖc sö dông c¸c ph−¬ng ph¸p kh¸c l¹i t¨ng lªn (Heaney vµ Nix, 1977). ViÖc tÝnh to¸n mét c¸ch kinh tÕ lµ mét phÇn viÖc quan träng trong bÊt kú mét b¶n thiÕt kÕ nµo. Sè liÖu vµ th«ng tin cÇn thiÕt cho viÖc ph©n tÝch nh÷ng vÊn ®Ò trong thuû v¨n ®« thÞ còng cÇn thiÕt cho c¸c vïng thuû v¨n t−¬ng tù kh¸c. VÝ dô, th«ng tin vÒ l−îng m−a, c¸c tÝnh chÊt bÒ mÆt vïng tËp trung n−íc vµ c¸c tÝnh chÊt cña hÖ thèng l−u vùc s«ng tù nhiªn hoÆc nh©n t¹o. Khi c¸c ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch ®−îc sö dông ®Ó tÝnh to¸n c¸c ®−êng qu¸ tr×nh thuû v¨n, nã cã ®é chÝnh x¸c tèt h¬n víi nh÷ng hÖ thèng ®o ®¹c tiÖn dông kÌm theo c¸c ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n dù b¸o vµ kiÓm tra. C¸c ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch hiÖn nay theo tr×nh tù tõ nh÷ng ph−¬ng ph¸p ®¬n gi¶n cho viÖc dù b¸o c¸c dßng ch¶y cùc ®¹i vµ thÓ tÝch dßng ch¶y ®Õn c¸c m« h×nh m¸y 345 tÝnh tinh vi ®Ó dù b¸o hoµn chØnh ®−êng qu¸ tr×nh thuû v¨n ë bÊt kú mét ®iÓm nµo trong hÖ thèng l−u vùc s«ng. C¸c ph−¬ng ph¸p nh− vËy th−êng bao gåm mét ph−¬ng ph¸p biÓu diÔn sù biÕn ®æi l−îng m−a thµnh dßng ch¶y trªn bÒ mÆt ®Êt, tiÕp theo lµ mét ph−¬ng ph¸p m« pháng chuyÓn ®éng cña dßng ch¶y qua hÖ thèng l−u vùc. NhiÒu m« h×nh tÝnh trªn m¸y chuÈn rÊt tiÖn dông trong c¶ hai lo¹i m¸y ®iÖn to¸n vµ vi tÝnh, hÇu hÕt ®−îc lËp tr×nh b»ng c¸c ng«n ng÷ FORTRAN, BASIC (Sharp vµ Sawden, 1984) mét c¸ch dÔ dµng hoÆc b»ng c¸c ng«n ng÷ lËp tr×nh kh¸c. §ãi t−îng thiÕt kÕ §èi t−îng cña viÖc øng dông c«ng nghÖ liªn quan ®Õn thuû v¨n ®« thÞ ®Ó cung cÊp cho viÖc kiÓm so¸t c¸c dßng ch¶y vµ c¸c ®é s©u cùc ®¹i t¹i toµn bé c¸c khu vùc trong hÖ thèng l−u vùc. VÒ thùc chÊt, ®ã lµ vÊn ®Ò kiÓm so¸t lò lôt nh− ®−îc ®Ò cËp trong ch−¬ng 4, nh−ng ph¶i tÝnh ®Õn ¶nh h−ëng tíi viÖc ®« thÞ ho¸ n«ng th«n. VÊn ®Ò thø hai bao gåm lò lôt t¹i chç, viÖc tiªu tho¸t lò vµ kiÓm so¸t chÊt l−îng n−íc. ViÖc ph©n tÝch c¸c vÊn ®Ò ph¶i dÉn ®Õn môc ®Ých cuèi cïng lµ dù b¸o dßng ch¶y cùc ®¹i, tæng l−îng dßng ch¶y vµ hoµn thµnh c¸c ®−êng qu¸ tr×nh thuû v¨n ë mäi n¬i trong hÖ thèng l−u vùc. C¸c vÊn ®Ò ®ã th−êng ®−îc t¸ch ra ®Ó gi¶i quyÕt hÖ thèng bÒ mÆt l−u vùc,l−îng m−a lµm thay ®æi ®−êng qu¸ tr×nh thuû v¨n dßng ch¶y trµn (hoÆc ®−êng qu¸ tr×nh nhËp l−u cho dßng ch¶y ë cöa vµo ®Õn hÖ thèng cèng ngÇm). ViÖc ph©n chia ®ã ®−îc gi¶i cho lßng dÉn hoÆc hÖ thèng cèng ngÇm, n¬i cã thÓ ®−îc kiÓm so¸t th«ng qua c¸c kü thuËt gi¶i chuyÓn ®éng cña dßng ch¶y th«ng th−êng (ch−¬ng 4). Tuy nhiªn, xu h−íng trong thuû v¨n ®« thÞ lµ kÕt hîp mét khèi hai hÖ thèng vµ t¹o nªn ®−êng qu¸ tr×nh thuû v¨n tæng hîp (hoÆc dßng ch¶y cùc ®¹i, hoÆc tæng l−îng dßng ch¶y) t¹i hÖ thèng cöa ra, sù tæng hîp nh− vËy cho bëi mét ®−êng qu¸ tr×nh thuû v¨n ®¬n vÞ. Sù kh¸c biÖt gi÷a viÖc cÇn thiÕt ph¶i dù b¸o dßng ch¶y cùc ®¹i, thÓ tÝch dßng ch¶y vµ viÖc hoµn thµnh ®−êng qu¸ tr×nh thuû v¨n lµ quan träng. Tõ ba môc ®Ých cã thÓ yªu cÇu nhiÒu ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch rÊt kh¸c nhau. Th«ng th−êng, c¸c ph−¬ng ph¸p dù b¸o dßng ch¶y cùc ®¹i vµ thÓ tÝch dïng c¸c kü thuËt ®¬n gi¶n, trong khi dù b¸o ®−êng qu¸ tr×nh thuû v¨n th−êng ®ßi hái mét sù ph©n tÝch bao qu¸t h¬n. ViÖc tÝnh to¸n dßng ch¶y c¬ b¶n trong c¸c hÖ thèng l−u vùc ®« thÞ còng ®ßi hái ®−îc xem xÐt ®Æc biÖt tõ khi n−íc b¾t ®Çu ch¶y vµo c¸c lßng dÉn theo c¶ hai con ®−êng lµ thÊm (thÊm vµo n−íc ngÇm vµ tõ n−íc ngÇm cung cÊp cho) vµ n−íc th¶i sinh ho¹t. Tæng l−îng n−íc theo c¶ hai con ®−êng nµy th−êng ®−îc −íc l−îng tõ sù quan s¸t nghiªn cøu ë h¹ l−u cña l−u vùc hoÆc, tõ viÖc nghiªn cøu sù kh¸c biÖt gi÷a l−îng thÊm/dßng ch¶y vµo ®Æc biÖt (I/I) (C¬ quan B¶o vÖ M«i tr−êng, 1977). Sù kh¸c biÖt lín ®èi víi viÖc øng dông c¸c kü thuËt ph©n tÝch sÏ ®−îc t¹o ra, cô thÓ lµ, b¶n thiÕt kÕ cña c¸c hÖ thèng míi chèng l¹i viÖc gi¶m c¸c vÊn ®Ò l−u vùc trong mét hÖ thèng l¹c hËu. NhiÒu ph−¬ng ph¸p lùa chän th−êng tiÖn dông tr−íc ®©y, nh−ng tr¸i l¹i cã thÓ t¨ng thªm sù kh¾t khe víi c¸c ph−¬ng ph¸p trong viÖc kiÓm so¸t c¸c hÖ thèng ®ang tån t¹i sau nµy. 346 6.2. Tæng quan c¸c qu¸ tr×nh vËt lý m−a - dßng ch¶y Sù biÕn ®æi l−îng m−a thµnh dßng ch¶y trong c¸c vïng ®« thÞ phÇn nµo ®−îc ®¬n gi¶n ho¸ bëi v× nh÷ng khu vùc ®« thÞ lµ vïng cã tû lÖ kh«ng gian kh«ng thÊm n−íc lµ t−¬ng ®èi cao, mÆc dï, trong khu vùc d©n c− vµ c¸c vïng ®Êt më viÖc tÝnh to¸n l−îng thÊm trong c¸c bÒ mÆt thÊm n−íc thÓ hiÖn sù tån t¹i mét sè nh©n tè bÊt lîi trong viÖc ph©n tÝch. Tuy nhiªn, phÇn lín c¸c ph−¬ng ph¸p ®ang sö dông cho c¸c l−u vùc tù nhiªn ®Ó tÝnh to¸n l−îng m−a phô tréi b»ng m¸y tÝnh cã thÓ lµm biÕn ®æi mét ®−êng qu¸ tr×nh dßng ch¶y. Khi c¸c ®−êng qu¸ tr×nh thuû v¨n ®−îc tÝnh to¸n b»ng m¸y tÝnh, ®Æc biÖt, sè liÖu l−îng m−a thu ®−îc ph¶i thÝch hîp. §iÒu nµy lµ do c¸c khu vùc ®« thÞ ¶nh h−ëng nhanh tíi l−îng m−a tøc thêi, tr¸i ng−îc víi c¸c l−u vùc tù nhiªn, vµ sù ¶nh h−ëng nhanh nµy lµm gi¶m c¸c dao ®éng ng¾n h¹n. Do vËy, sè liÖu l−îng m−a ph¶i ®−îc phï hîp ë thêi ®o¹n hiÖu qu¶ 5 phót hoÆc thêi ®o¹n ng¾n h¬n ®Ó thÝch hîp víi viÖc dù b¸o ®−êng qu¸ tr×nh dßng ch¶y. Mét vÊn ®Ò chóng ta quan t©m xa h¬n ®ã lµ h−íng cña lò lôt. Nh− trong c¸c l−u vùc tù nhiªn, ®−êng qu¸ tr×nh thuû v¨n cã thÓ cã mét ®Ønh lò cao h¬n ®¸ng kÓ nÕu lò chuyÓn ®éng xuèng l−u vùc theo h−íng vÒ phÝa cöa ra. §iÒu nµy cã nghÜa r»ng mét dông cô ®o m−a Ýt khi ®o ®ñ Ýt nhÊt ba nh©n tè cïng víi sù ®o giã cã thÓ cÇn thiÕt cho viÖc m« t¶ tèc ®é chuyÓn ®éng cña lò lôt (m« t¶ chuyÓn ®éng ®éng lùc cña sãng lò) (James vµ Scheckenberger, 1984). m« t¶ l−u vùc L−u vùc ®« thÞ ®−îc ®Æc tr−ng bëi h×nh d¹ng, ®é dèc, ®Êt ®¸, ®Êt sö dông, vïng kh«ng thÊm n−íc, ®é nh¸m vµ tr÷ l−îng n−íc. DiÖn tÝch l−u vùc vµ vïng kh«ng thÊm n−íc lµ hai th«ng sè quan träng nhÊt cho viÖc dù b¸o chÝnh x¸c tæng l−îng ®−êng qu¸ tr×nh thuû v¨n ®« thÞ. MÆc dï lµ mét th«ng sè d−êng nh− theo h−íng ®−êng th¼ng, viÖc tÝnh to¸n phÇn tr¨m vïng kh«ng thÊm n−íc cã thÓ rÊt phøc t¹p. §Æc biÖt, nã cÇn thiÕt cho viÖc ph©n biÖt mèi quan hÖ thuû lùc gi÷a nh÷ng vïng kh«ng thÊm vµ thÊm n−íc. Mèi quan hÖ thuû lùc c¸c vïng kh«ng thÊm n−íc lµ nh÷ng vïng ch¶y theo h−íng vµo hÖ thèng l−u vùc, nh− vËy mét bÒ mÆt ®−êng phè víi c¸c kÌ ®¸ vØa hÌ (lÒ ®−êng) vµ c¸c r·nh ch¶y theo h−íng dßng ch¶y vµo cöa vµo mét cèng ngÇm lò. Mèi quan hÖ c¸c khu vùc phi thuû lùc bao gåm c¸c ®Ønh m¸i nhµ hoÆc ®−êng xe h−íng ch¶y tíi nh÷ng vïng thÊm n−íc. Dßng ch¶y tõ nh÷ng vïng nh− vËy sÏ kh«ng ch¶y vµo hÖ thèng l−u vùc lò lôt trõ khi nh÷ng vïng thÊm n−íc ®ã trë nªn b·o hoµ (dßng ch¶y tõ nh÷ng vïng nh− vËy kh«ng g©y ra lò trªn hÖ thèng l−u vùc). ViÖc tÝnh to¸n vïng kh«ng thÊm n−íc cã thÓ ®−îc thùc hiÖn tõ viÖc ®o ®¹c b»ng c¸ch chôp ¶nh tõ trªn kh«ng hoÆc xÐt vÒ ph−¬ng diÖn ®Êt sö dông. §Æc biÖt c¸c gi¸ trÞ ®ã ®−îc tr×nh bµy trong b¶ng (6.2) cho nh÷ng vïng ®« thÞ lín, vïng kh«ng thÊm n−íc cã thÓ ®−îc tÝnh to¸n trªn nÒn t¶ng cña mËt ®é « nhiÔm (vÝ dô, Stankowski 1974): ( )PDPDI ln017.0573.06.9 −= (6.1) 347 Trong ®ã: I: PhÇn tr¨m vïng kh«ng thÊm n−íc. PD: MËt ®é « nhiÔm (ng−êi/ac). B¶ng 6.2. KiÓu ®Êt kh«ng thÊm n−íc t¹i cho c¸c thµnh phè ë Nineontano (Sullivan vµ céng sù., 1978). PhÇn tr¨m §Êt sö dông Trung b×nh Ph¹m vi Nhµ ë 30 22 - 44 Th−¬ng m¹i 81 52 - 90 C«ng nghiÖp 40 11 - 57 Vïng quª (®Êt hoang) 5 1 – 14 C¬ së ph−¬ng tr×nh (6.1) lµ viÖc ph©n tÝch lÆp cña 567 tr¹m ®o trong bang Newjersey, do vËy cã thÓ sö dông mét c¸ch thËn träng h¬n ë mét n¬i nµo kh¸c. Vïng kh«ng thÊm n−íc th−êng ®−îc sö dông nh− mét th«ng sè ®o trong c¸c m« h×nh. PhÝa trªn l−u vùc ®« thÞ lµ hÖ thèng l−u vùc hoÆc tù nhiªn hoÆc nh©n t¹o. ViÖc c¶i tiÕn l−u vùc bao gåm mét hÖ thèng c¸c lßng dÉn vµ c¸c cèng ngÇm. M¹ng l−íi ®ã t¹o thµnh mét hÖ thèng cèng ngÇm vµ nã th−êng ®−îc ch¶y víi mét mÆt tho¸ng tù do, vÝ dô dßng ch¶y trong lßng dÉn hë, nã ng−îc l¹i víi dßng ch¶y cã ¸p trong mét èng dÉn dÇu. Do vËy, hÖ thèng l−u vùc cã nh÷ng bé th«ng sè riªng m« t¶ h×nh d¹ng cña l−u vùc vµ c¸c tÝnh chÊt thuû lùc cña chóng. Trong mét hÖ thèng l−u vùc míi, tÊt c¶ c¸c th«ng sè ®ã lµ c¸c th«ng sè thiÕt kÕ vµ cã thÓ ®−îc biÕn ®æi theo yªu cÇu vµ môc ®Ých cña ng−êi sö dông. Trong mét hÖ thèng ®ang tån t¹i, ®éng lùc chÝnh cña viÖc thu thËp sè liÖu cã thÓ m« t¶ mét c¸ch chÝnh x¸c nh− m« t¶ h×nh d¹ng hÖ thèng l−u vùc thiÕt kÕ. §iÒu nµy ®Æc biÖt khã kh¨n trong c¸c hÖ thèng l¹c hËu, viÖc söa ch÷a c¶i tiÕn chóng cã thÓ mÊt vµi thËp niªn vµ nã cßn g©y khã kh¨n trong viÖc nghiªn cøu trong mét l−u vùc víi yªu cÇu sè liÖu thu ®−îc chÝnh x¸c, nh− viÖc ®¶o ng−îc ®é cao cña c¸c cèng ngÇm. tÝnh to¸n l−îng tæn thÊt L−îng m−a phô tréi ®−îc tÝnh to¸n b»ng m¸y vi tÝnh lµ l−îng m−a trõ ®i l−îng tæn thÊt (ch−¬ng 2). Nh÷ng l−îng tæn thÊt nµy lµ kÕt qu¶ tõ sù h¹ thÊp tr÷ l−îng n−íc tõ th¶m thùc vËt hoÆc c¸c bÒ mÆt kh¸c, nh− l−îng thÊm vµo c¸c bÒ mÆt thÊm n−íc hoÆc th«ng qua bèc h¬i. Trong mét trËn lò riªng biÖt, bèc h¬i lµ t−¬ng ®èi kh«ng quan träng, nh−ng ®èi víi viÖc ph©n tÝch trong mét giai ®o¹n kh¸ dµi trong kho n−íc ®« thÞ (hoÆc cho c¸c chu kú dµi t−¬ng tù) th× sù bèc h¬i trong c¸c l−u vùc tù nhiªn lµ mét l−îng tæn thÊt ®¸ng kÓ. Nh÷ng tÝnh to¸n l−îng thÊm còng ®−îc sö dông cïng mét ph−¬ng ph¸p nh− nh÷ng khu vùc tù nhiªn (ch−¬ng 1). Tr÷ l−îng n−íc vïng tròng khã x¸c ®Þnh tõ l−îng thÊm trªn nh÷ng vïng kh«ng thÊm n−íc. ViÖc tÝnh to¸n ®é nh¸m cho nh÷ng khu vùc ®« thÞ lín bao gåm c¶ tr÷ l−îng n−íc vïng tròng ®−îc thÓ hiÖn trong b¶ng (6.3). 348 B¶ng 6.3. Nh÷ng tÝnh to¸n tr÷ l−îng n−íc vïng tròng trong c¸c khu vùc ®« thÞ Thµnh phè Líp phñ Kho tr÷ n−íc (m) Tµi liÖu tham kh¶o ThÊm n−íc 0.25 Tholin vµ Keifer (1960) Chicago Kh«ng thÊm n−íc 0.0625 §Êt c¸t 0.20 Hicks (1944) §Êt ph× nhiªu 0.15 Los Angeles §Êt sÐt 0.01 Trong nh÷ng vïng kh«ng thÊm n−íc cao, c¸c hÖ thèng ®o ®¹c cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc mét c¸ch t−¬ng ®èi tr÷ l−îng n−íc vïng tròng ®Õn viÖc x¸c ®Þnh ®−îc ®é dèc cña l−u vùc (h×nh 6.3). H×nh 6.3. Tr÷ l−îng n−íc vïng tròng vµ ®é dèc l−u vùc (After kidd, 1978; Viessmm vµ céng sù., 1977) Tr÷ l−îng n−íc vïng tròng th−êng ®−îc sö dông nh− mét th«ng sè tÝnh to¸n trong c¸c m« h×nh, mÆc dï sù m« t¶ mét l−îng tæn thÊt thùc tÕ vµ tÝnh to¸n nã lµ rÊt khã. VÝ dô 6.1 TÝnh to¸n l−îng m−a phô tréi §−êng qu¸ tr×nh l−îng m−a ®−îc thÓ hiÖn trong h×nh E6.1 vµ ®−îc liÖt kª trong b¶ng E6.1 lµ nguyªn nh©n g©y nªn tr÷ l−îng n−íc vïng tròng mÊt mét l−îng lµ 0.15 349 (in) vµ l−îng thÊm Horton (ph−¬ng tr×nh 1.18) víi c¸c th«ng sè f0 = 0.45 (in), fc = 0.05 (in/giê) vµ k = 1 (giê-1). TÝnh ®−êng qu¸ tr×nh m−a cña l−îng m−a phô tréi. Gi¶i Tr÷ l−îng n−íc vïng tròng th−êng ®−îc di chuyÓn tõ ®Çu kú tr−íc ®Õn viÖc gi¶m bÊt kú mét l−îng mÊt do thÊm nµo. ThÓ tÝch l−îng m−a r¬i trong 10 phót ®Çu tiªn lµ 0.3 (in/giê).1/6(giê) = 0.05 (in). Tr÷ l−îng n−íc mÊt ®−îc lÊp ®Çy trong suèt thêi kú l−îng m−a gia t¨ng tiÕp theo lµ 0.15 - .05 = 0.10 (in). §iÒu nµy xuÊt hiÖn t¹i mét thêi gian lµ: t = 1/6(giê) + (0.10 in/0.8 in/giê) = 1/6 giê+1/8 giê = 17.5 phót Do vËy l−îng thÊm b¾t ®Çu ë phót thø 17.5, nã ®−îc thÓ hiÖn trong h×nh E6.1. ViÖc tÝnh to¸n l−îng thÊm ®−îc tãm l−îc trong b¶ng E6.1 vµ l−îng m−a phô tréi ®−îc thÓ hiÖn trong h×nh E6.1. Chó ý r»ng phñ nhËn l−îng m−a phô tréi lµ kh«ng thÓ, còng chó ý r»ng trong vÝ dô nµy, tæng l−îng l−îng thÊm ®−îc gi¶ thiÕt tiÕp tôc gi¶m dÇn ë cïng tèc ®é thay ®æi gi÷a kho¶ng thêi gian 40 vµ 50 phót thËm chÝ l−îng m−a thay ®æi Ýt h¬n tæng l−îng thÊm. ThÓ tÝch l−îng m−a vµ l−îng m−a phô tréi ®−îc x¸c ®Þnh bëi tæng c¸c tung ®é vµ sù gia t¨ng thêi gian vµo (1/6 giê). Do vËy, thÓ tÝch l−îng m−a lµ 3,5*1/6 = 0.583 (in) H×nh E6.1. §−êng qu¸ tr×nh l−îng m−a vµ l−îng m−a phô tréi ThÓ tÝch l−îng m−a phô tréi ®−îc tÝnh to¸n t−¬ng tù, ngo¹i trõ ®iÒu ®ã thêi gian ph¸t triÓn ®Çu tiªn chØ lµ 2,5 phót trong 10 phót. Do vËy thÓ tÝch l−îng m−a phô tréi lµ: 0,695*1/6 + 0,358*2,5/60 = 0,131 (in) Tõ tr÷ l−îng n−íc vïng tròng lµ 0,15, thÓ tÝch l−îng thÊm thùc tÕ lµ: 0,583 – 0,15 – 0,131 = 0,302 (in) Chó ý r»ng vïng d−íi ®−êng cong thÊm b»ng toµn bé thÓ tÝch thÊm ®−îc sö dông trong suèt thêi kú tõ gi÷a 40 vµ 50 phót. HÖ sè dßng ch¶y cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh mét c¸ch ®¬n gi¶n b»ng tû sè dßng ch¶y (l−îng m−a phô tréi) vµ l−îng m−a. Tû sè ë ®©y lµ: 0,131/0,583 = 0,22 Khi l−îng m−a phô tréi ®−îc tÝnh to¸n, nã th−êng cho phÐp ®−îc xÕp thµnh b¶ng trong nh÷ng sù gia t¨ng thêi gian trong ®−êng qu¸ tr×nh m−a nguyªn thuû (10 350 phót). Trong vÝ dô nµy lµ sù phøc t¹p trong kho¶ng ®Çu tiªn, nã b¾t ®Çu t¹i phót thø 17,5 vµ cã Ýt nhÊt hai sù lùa chän: 1. Thêi gian b¾t ®Çu cã thÓ tån t¹i ë phót thø 17.5 vµ nÕu c¸c kho¶ng thêi gian b»ng nhau lµ cÇn thiÕt, mét kho¶ng thêi gian 2,5 phót cã thÓ ®−îc sö dông. B¶ng E6.1.TÝnh to¸n l−îng m−a phô tréi Thêi gian vµo L−îng m−a Tæng l−îng thÊm ban ®Çu Tæng l−îng thÊm trung b×nh L−îng m−a phô tréi trung b×nh 0 – 10 0.30 10 – 17.5 0.80 17.5 – 20 0.80 0.450 0.442 0.358 20 – 30 0.45 0.434 0.404 0.046 30 – 40 0.55 0.375 0.350 0.200 40 – 50 0.25 0.325 0.304 **** 50 – 60 0.40 0.283 0.265 0.135 60 – 70 0.45 0.247 0.232 0.218 70 – 80 0.30 0.217 0.204 0.096 80 - 90 0.00 0.191 0.000 2. Kho¶ng thêi gian ng¾n ®Çu tiªn cña l−îng m−a phô tréi cã thÓ ®−îc tÝnh trung b×nh trªn kho¶ng thêi gian tõ 10 ®Õn 20 phót. §iÒu nµy cã thÓ sinh ra mét gi¸ trÞ l−îng m−a phô tréi lµ 0,358*2,5/10 = 0,090 (in/giê) trong kho¶ng thêi gian tõ 10 ®Õn 20 phót (vµ b»ng 0 trong thêi gian ®Çu tiªn). Thêi gian tËp trung Thêi gian tËp trung tc ®−îc giíi thiÖu trong ch−¬ng 4 nh− mét phÇn sù ph¸t triÓn cña lý thuyÕt sãng ®éng häc. Nã lµ gi¸ trÞ ®−îc xem xÐt mét c¸ch ng¾n gän tõ c¸c ®Þnh nghÜa cña tc vµ lµ nguyªn t¾c c¬ b¶n cho c¸c ph©n tÝch trong thuû v¨n ®« thÞ. Chóng cã hai ®Þnh nghÜa liªn quan: 1. Thêi gian tËp trung lµ thêi gian chuyÓn ®éng cña sãng tõ nh÷ng ®iÓm thuû lùc xa nhÊt trong l−u vùc tíi cöa s«ng. 2. Thêi gian tËp trung lµ thêi gian b×nh qu©n cña l−u vùc d−íi mét l−îng m−a phô tréi æn ®Þnh (vÝ dô khi dßng ch¶y ra tõ l−u vùc b»ng l−îng m−a phô tréi vµo trong l−u vùc). §Æc biÖt, chó ý r»ng thêi gian tËp trung n−íc tc kh«ng ph¶i lµ thêi gian chuyÓn ®éng cña phÇn tö n−íc riªng biÖt chuyÓn ®éng xuèng l−u vùc, nh− nã th−êng ®· ®−îc trÝch dÉn trong c¸c bµi kho¸. L−u vùc ë tr¹ng th¸i c©n b»ng khi thêi gian tËp trung n−íc ®¹t tíi gi¸ trÞ b×nh qu©n, bëi v× khi ®ã dßng ch¶y ra ë cöa s«ng sÏ b»ng dßng ch¶y vµo ë nhiÒu bé phËn kh¸c nhau cña l−u vùc. Khi ®ã, nÕu tèc ®é chuyÓn ®éng cña sãng lò nhanh h¬n tèc ®é chuyÓn ®éng cña c¸c phÇn tö n−íc riªng biÖt trong dßng ch¶y trµn (hoÆc c¸c lßng dÉn) th× thêi gian tËp trung ( vµ thêi gian b×nh qu©n) sÏ xuÊt hiÖn sím h¬n (Overton vµ Meadows, 1976). Trong dßng ch¶y trµn, tèc ®é chuyÓn ®éng cña sãng th−êng ®−îc cho bëi ph−¬ng tr×nh sãng ®éng häc: (6.2) 1−== mmymVc α 351 trong ®ã: c: Tèc ®é chuyÓn ®éng cña sãng. V: Tèc ®é trung b×nh cña n−íc. y: §é s©u n−íc. α, m: C¸c th«ng sè cña sãng ®éng häc , kh«ng thay ®æi trong ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng. vµ ph−¬ng tr×nh: (6.3) myyVq α== trong ®ã q lµ l−u l−îng ®¬n vÞ cña l−u vùc. Ph−¬ng tr×nh Manning ®ang ®−îc sö dông víi th«ng sè m = 5/3 cho dßng ch¶y rèi vµ m = 3 cho dßng ch¶y tÇng. Do vËy, sãng cã thÓ di chuyÓn ë mét tèc ®é tõ 1,7 ®Õn 3 lÇn tèc ®é chuyÓn ®éng cña phÇn tö n−íc. C¸c gi¸ trÞ t−¬ng øng cña α cho dßng ch¶y rèi vµ dßng ch¶y tÇng lµ: n Skm=α (6.4) (m = 5/3 trong tr−êng hîp ch¶y rèi) να 3 gS= (6.5) (m = 3 trong tr−êng hîp ch¶y tÇng) Trong ®ã: S: §é dèc (S nhá do ®ã sinS = tgS = S). n: HÖ sè nh¸m Manning. g: Gia tèc träng tr−êng. ν: §é nhít ®éng häc. km = 1.49 cho c¸c ®¬n vÞ (ft) vµ (in) trong ph−¬ng tr×nh (6.4)