Mô phỏng dự báo lưu lượng và chất lượng nước thải chảy về nhà máy xử lý nước thải bình hưng

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Mô hình toán được sử dụng để dự báo lưu lượng và chất lượng nước thải chảy về nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng trong tương lai Việc mô hình hóa này được thực hiện bằng phần mềm SWMM, đồng thời xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả, nhằm đề xuất phương án vận hành nhà máy hiệu quả Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các dự án tương tự trong tương lai, mang lại hiệu quả cao hơn.

Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu

Luận văn nghiên cứu những vấn đề sau:

- Nghiên cứu điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội của khu vực

- Các yếu tố ảnh hưởng đến lưu lượng và chất lượng nước thải sử dụng trong việc mô phỏng.

- Cơ sở lý thuyết, các phương trình toán học mô phỏng lưu lượng và chất lượng nước thải.

- Phương pháp mô phỏng lưu lượng và chất lượng nước thải bằng phần mềm SWMM.

Phương pháp mô phỏng dự báo lưu lượng và chất lượng nước thải có ảnh hưởng đáng kể đến chế độ vận hành và phương pháp xử lý nước thải tại nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng Việc áp dụng các mô hình dự báo giúp tối ưu hóa quy trình vận hành, cải thiện hiệu quả xử lý và đảm bảo chất lượng nước thải sau xử lý Nhờ vào những dữ liệu chính xác từ mô phỏng, nhà máy có thể điều chỉnh kịp thời các thông số kỹ thuật, từ đó nâng cao hiệu suất và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

Phương pháp nghiên cứu

Tiếp nhận và áp dụng một cách có chọn lọc các kết quả nghiên cứu cùng thành tựu khoa học công nghệ từ các tác giả trong và ngoài nước là rất quan trọng, đặc biệt đối với những vấn đề liên quan đến đề tài nghiên cứu.

Phương pháp thu thập và đánh giá số liệu bao gồm việc tiến hành điều tra, khảo sát và nghiên cứu thực tế Qua phân tích, đánh giá và tổng hợp tài liệu, chúng ta có thể rút ra các cơ sở khoa học vững chắc, từ đó xác định khả năng ứng dụng vào thực tiễn.

 Phương pháp sử dụng mô hình

Mô hình thủy lực SWMM có nhiều ưu điểm như khả năng mô phỏng lưu lượng và chất lượng nước hiệu quả, hỗ trợ quản lý nước mưa và nước thải Tuy nhiên, nó cũng có nhược điểm như yêu cầu dữ liệu đầu vào chi tiết và thời gian xử lý lâu Sử dụng Mapinfo để quản lý dữ liệu giúp tối ưu hóa quy trình phân tích, nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong việc giải quyết các vấn đề liên quan đến quản lý nước.

Thu thập thông tin tại các đơn vị quản lý dự án, website có liên quan.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã thu thập dữ liệu về lưu lượng và chất lượng nước thải tại nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng Dữ liệu này sau đó được phân tích và đánh giá, đồng thời sử dụng mô hình SWMM để mô phỏng lưu lượng và chất lượng nước thải.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Mô phỏng dự báo lưu lượng và chất lượng nước thải tại nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến sự biến đổi này Để thực hiện, có thể áp dụng mô hình toán cho dòng chảy và vận tải chất với các điều kiện biên thích hợp Phương pháp xấp xỉ liên tiếp hoặc phương pháp sai phân hữu cũng có thể được sử dụng để giải quyết bài toán, bên cạnh việc áp dụng các mô hình thủy lực phù hợp cho quá trình mô phỏng.

Nghiên cứu và kết quả từ đề tài cho thấy tính toán và mô phỏng có thể áp dụng cho các dự án quy hoạch xây dựng và vận hành nhà máy xử lý nước thải trong tương lai Đề tài này không chỉ giúp giải quyết vấn đề quy hoạch mà còn đảm bảo hiệu quả vận hành cho nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng, giảm thiểu biến động lớn về lưu lượng và chất lượng nước thải, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của trạm xử lý.

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

2.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

 Ứng dụng mô h ình MIKE 11 tính toán th ủy lực, chất lượng nước cho lưu vực sông Sài Gòn – Đồng Nai [1]

Mục tiêu của tính toán thủy lực là xác định các thông số thủy lực tối ưu cho lưu vực nghiên cứu, nhằm phục vụ cho mô hình chất lượng nước hiệu quả.

Nghiên cứu này nhằm xác định bộ thông số chất lượng nước phù hợp nhất cho khu vực nghiên cứu, tập trung vào việc tính toán các chỉ tiêu chất lượng nước cơ bản trong sông theo thời gian và không gian, bao gồm DO, BOD, tổng Nitơ, tổng Photpho và tổng Coliforms Các chỉ tiêu này sẽ được phân tích tương ứng với các điều kiện biên thủy lực và các nguồn thải ảnh hưởng đến chất lượng nước.

Nghiên cứu này áp dụng phương pháp mô hình toán để mô phỏng thủy văn, thủy lực và chất lượng nước cho hệ thống sông Sài Gòn – Đồng Nai, một lưu vực quan trọng cho phát triển kinh tế Kết quả từ mô hình MIKE 11 cho thấy khả năng ứng dụng hiệu quả trong việc tính toán và mô phỏng Tuy nhiên, để nâng cao hiệu quả sử dụng mô hình trong hiện tại và tương lai, cần có số liệu quan trắc thủy văn, thủy lực và chất lượng nước đồng bộ, dày đặc và chính xác hơn.

Mô hình SWMM được sử dụng để mô phỏng và đánh giá khả năng tiêu thoát nước tại khu vực nội thành Hà Nội Nghiên cứu này nhằm đề xuất các giải pháp hiệu quả nhằm giảm thiểu tình trạng ngập lụt trong khu vực, góp phần cải thiện hệ thống thoát nước đô thị.

Mô hình SWMM là một công cụ toán học mạnh mẽ, được sử dụng để mô phỏng khối lượng và tính chất dòng chảy đô thị từ mưa cũng như hệ thống cống thoát nước thải chung Báo cáo này tập trung vào việc ứng dụng mô hình SWMM để mô phỏng hệ thống tiêu thoát nước tại 9 quận nội thành, thuộc khu vực mạng lưới sông Tô Lịch với tổng diện tích 77,5 m².

Báo cáo đã tổng quan và phân tích các nghiên cứu cùng với kết quả từ mô hình SWMM, chỉ ra rằng quy hoạch tiêu thoát hiện tại chủ yếu tập trung vào các giải pháp công trình đơn ngành Thiết kế với tần suất mưa 10% không đủ khả năng ứng phó với các trận mưa lớn hơn 291 mm, trong khi ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và quá trình đô thị hóa vẫn chưa được xem xét đầy đủ.

Báo cáo đề xuất một số giải pháp tổng thể nhằm quản lý hệ thống tiêu thoát nước, bao gồm các hướng giải pháp tạm thời và khung pháp lý về "bảo hiểm ngập lụt" Ngoài ra, cần thiết lập dự báo ngập lụt dựa trên hình thế thời tiết và xây dựng bản đồ cảnh báo nguy cơ ngập lụt Những nội dung này không chỉ mang ý nghĩa khoa học mà còn có tính thực tiễn và cấp thiết trong việc giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt cho thành phố, đặc biệt là khu vực nội thành trong thời gian tới.

 Tính toán mô ph ỏng lan truyền chất sử dụng phần mềm ANSYS [3]

Bài báo trình bày kết quả ban đầu về việc ứng dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng sự lan truyền chất hòa tan trong kênh sông, với sông Hương là đối tượng nghiên cứu chính.

Bài toán truyền lan chất ô nhiễm được mô tả thông qua các hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng, phản ánh các định luật vật lý cơ bản về sự di chuyển của lưu chất trong kênh sông Các phương trình này bao gồm phương trình Navier-Stokes, liên quan đến thành phần thủy động lực học, và các phương trình mô tả quá trình khuếch tán Trong thực tế, nhiều kênh sông có chiều dài lớn và nước nông, do đó có thể rút gọn một số thành phần trong các phương trình mô tả quá trình này.

Hiện nay, việc giải quyết các mô hình môi trường trở nên cấp thiết, tuy nhiên, sự thiếu hụt thuật toán hiệu quả và phần mềm tính toán tự động là những khó khăn chính Điều này dẫn đến việc nhiều nhóm nghiên cứu phải giản lược các thành phần trong mô hình ban đầu Bài báo này giới thiệu một phương pháp mới nhằm khắc phục tình trạng này, trong đó phương trình mô tả sự lan truyền chất trên kênh sông được giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng phần mềm ANSYS, một công cụ nổi tiếng trong lĩnh vực phân tích kỹ thuật.

Trong bài báo này trình bày một cách tiếp cận để giải bài toán môi trường thực tế.

Mô hình lan truyền chất được giải kết hợp với mô hình thủy động bằng phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng bộ chương trình ANSYS đã được áp dụng thành công trên toàn cầu Nghiên cứu này tập trung vào sông Hương, nơi có 8 nguồn xả thải ở các vị trí khác nhau Kết quả của nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng mới trong việc giám sát chất lượng nước.

2.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

 Stormwater quality calibration by SWMM: A case study in Northern Spain [5]

Mô hình SWMM được áp dụng để dự đoán tình trạng ô nhiễm trong thời tiết mưa tại hệ thống thoát nước kết hợp ở Santander, Tây Ban Nha Các chỉ số như chất rắn lơ lửng (SS), nhu cầu oxy hóa học (COD) và tổng Nitơ Kjeldahl (TKN) đã được đo tại lối ra của lưu vực, phục vụ cho việc hiệu chỉnh và xác nhận mô hình Quá trình hiệu chỉnh cùng với chất lượng thủy lực được mô tả chi tiết, kèm theo các giá trị tham số điều chỉnh và so sánh với các nghiên cứu trước đó.

 Secondary Development of Storm Water Management Model SWMM Based GIS [6]

Tác giả đã chọn khu vực thành phố Quảng Châu làm ví dụ cho nghiên cứu Hệ thống thoát nước hai lớp (tách dòng) và giao diện dữ liệu mở của mô hình SWMM được áp dụng để tích hợp với hệ thống ArcGIS, sử dụng nền tảng Visual Basic 6.0 Kết quả cho thấy mô hình đạt được độ chính xác và độ tin cậy cao.

 Stormwater management and modeling integrating SWMM and GIS [7]

Mô hình quản lý nước mưa (SWMM) được sử dụng để mô phỏng dòng chảy và vận chuyển nước mưa qua các mạng lưới thoát nước, tuy nhiên, việc tạo ra các yêu cầu cho SWMM là một nhiệm vụ phức tạp và tốn thời gian Để đơn giản hóa quy trình này, có thể tích hợp thông tin từ hệ thống thông tin địa lý (GIS) với SWMM, giúp tạo ra các file dữ liệu cần thiết cho việc chạy mô hình Tại thành phố Kansas, Missouri, một kế hoạch tổng thể về nước mưa đã được phát triển cho ba lưu vực sông, sử dụng phần mềm Intergraph Microstation và cơ sở dữ liệu Oracle Ứng dụng Ngôn ngữ Phát triển Microstation đã được sử dụng để tích hợp thông tin từ GIS, tạo ra các file dữ liệu cần thiết cho các phân tích thủy văn và thủy lực của SWMM.

Tổng quan về khu vực nghiên cứu

Để cải thiện môi trường nước, cần phải xử lý nước thải sinh hoạt từ nhà dân và cơ quan, doanh nghiệp.

Nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng, được xây dựng bằng nguồn vốn ODA, là nhà máy hiện đại đầu tiên tại Thành Phố Hồ Chí Minh, chính thức đi vào hoạt động từ tháng 5/2009 Nhà máy có chức năng thu gom và xử lý nước thải từ hộ gia đình, cơ quan, và doanh nghiệp, đảm bảo đạt tiêu chuẩn xả thải trước khi thải ra môi trường tự nhiên.

Diện tích tổng thể của nhà máy là 46 ha (diện tích xây dựng khoảng 15 ha

Hình 2 1: Phối cảnh nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng

Giai đoạn 1 của dự án nhà máy thu gom và xử lý nước thải cho lưu vực kênh Đôi – Tẻ có diện tích 915 ha, phục vụ cho 426.000 người dân tại các quận 1, 3, 5 và một phần quận 10 Công suất xử lý của giai đoạn này đạt 141.000 m³/ngày.

Giai đoạn 2 dự kiến nhà máy được mở rộng lưu vực xử lý 2150 ha gồm các quận

4, 5 và một phần của quận 6, 8, 11, Tân Bình, phục vụ dân số khoảng 1390000 người. Công suất sau khi hoàn thành giai đoạn 2 là 512000 m 3 /ngày.

Tuyến cống bao chính dài 6.5 km và chảy về trạm bơm Đồng Diều sau đó được bơm về nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng.

Hình 2 2:Lưu vực thu gom nước thải xử lý giai đoạn 1 và giai đoạn 2

Hình 2 3:Sơ đồ tuyến cống thu gom nước thải

Điều kiện tự nhiên khu vực

Khu vực nghiên cứu gồm các quận 1, 3, 5, và một phần quận 10 thuộc lưu vực thoát nướcTàu Hũ – Đôi – Tẻ nằm trongnội thành của thành phố Hồ Chí Minh.

Lưu vực thoát nước của các quận trung tâm như quận 1, 3, 5 và 10 là những khu vực đã được đô thị hóa hoàn toàn, với độ cao từ 2m đến 10m so với mực nước biển.

Trong quá trình đô thị hóa, địa hình lưu vực đã trải qua nhiều biến đổi đáng kể Việc san lấp ao hồ và kênh rạch để xây dựng đã dẫn đến tình trạng ngập úng nghiêm trọng Hơn nữa, việc nâng cao một số trục đường trong những năm gần đây cũng đã gây ra khó khăn trong việc tiêu thoát nước, làm trầm trọng thêm vấn đề này.

Trạm khí tượng Tân Sơn Nhất, được xây dựng từ đầu thế kỷ 20, đã gần 100 năm hoạt động và là trạm quan trọng nhất tại khu vực Nam Bộ Tài liệu mưa từ trạm này được đánh giá cao về chất lượng và độ tin cậy Ngoài ra, các yếu tố khí tượng như nhiệt độ, độ ẩm, bốc hơi, gió, số giờ nắng, nhiệt lượng và bức xạ đã được quan trắc từ đầu thập niên 30, cung cấp dữ liệu phong phú cho nghiên cứu.

Nhiệt độ trung bình cả năm 27 0 C, nhiệt độ bình quân hàng tháng chênh nhau không đáng kể Nhiệt độ cao nhất vào tháng IV, thấp nhất vào tháng XII, I.

- Nhiệt độ cao nhất tuyệt đối (T max ): 40 0 C (xuất hiện: tháng IV/1912).

- Nhiệt độ thấp nhất tuyệt đối (Tmin): 13,8 0 C (xuất hiện: tháng I/1937).

Bảng 2.1: Thống kê nhiệt độ TB các tháng trong năm, trạm Tân Sơn Nhất ( 0 C)

Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Độ ẩm không khí có sự biến đổi ngược với nhiệt độ, với độ ẩm tương đối cao vào mùa mưa, dao động từ 80% đến 86% Trong khi đó, vào mùa khô, độ ẩm giảm xuống còn khoảng 71% đến 77%.

Độ ẩm trung bình cao nhất tại IX đạt 86%, trong khi tháng II và III ghi nhận độ ẩm trung bình thấp nhất là 71% Chênh lệch độ ẩm giữa các tháng khoảng 15%, với mức độ ẩm không khí có thể giảm xuống 20% và đạt tối đa 100% Độ ẩm trung bình hàng năm tại UTB là 80,0% Mốc độ ẩm lớn nhất U max là 100%, xuất hiện vào tháng 11/1973, trong khi độ ẩm thấp nhất U min là 20%, xảy ra vào tháng 3/1969.

Bảng 2.2: Thống kê độ ẩm trung bình UTB các tháng, trạm Tân Sơn Nhất (%)

Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Với nền nhiệt độ cao và ổn định, lượng bốc hơi nước trong khu vực này cũng lớn và ổn định, chủ yếu diễn ra trong các tháng mùa khô, ngược lại với độ ẩm không khí.

Tổng lượng bốc hơi trung bình năm (E TB ): 1.416mm.

Tổng lượng bốc hơi trung bình các tháng mùa mưa (E TB mùa mưa ): 487mm

Tổng lượng bốc hơi trung bình các tháng mùa khô (E TB mùa khô ): 929mm

Bảng 2.3: Bốc hơi trung bình (E TB ) các tháng, trạm Tân Sơn Nhất (mm)

Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Thành phố nằm trong khu vực có khí hậu nhiệt đới gió mùa cận xích đạo, dẫn đến tình hình mưa ở đây rất đặc trưng Lượng mưa không chỉ khác nhau theo không gian mà còn biến đổi theo thời gian.

Theo thời gian trong năm có 2 mùa rõ rệt:

Mùa khô diễn ra từ tháng XI đến tháng IV năm sau, với tổng lượng mưa chỉ chiếm khoảng 10-20% tổng lượng mưa hàng năm Trong các tháng I, II và III, lượng mưa gần như không đáng kể.

- Mùa mưa: từ tháng V đến tháng X Tổng lượng mưa mùa mưa chiếm đến 90% tổng lượng mưa năm.

Mưa thường tập trung trong các tháng mùa mưa, có 2 cực đại vào tháng VI và tháng IX (R > 300 mm).

Bảng 2.4: Phân phối mưa các tháng trong năm trạm Tân Sơn Nhất (mm)

Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Dân số

Tính đến năm 1997, TPHCM có khoảng 5 triệu dân, và dân số thành phố này tiếp tục gia tăng Dự báo theo điều chỉnh tổng mặt bằng, đến năm 2020, dân số TPHCM sẽ đạt khoảng 10 triệu người.

1997 và tới năm 2020 cho 4 quận nội thành bên dưới.

Bảng 2.5:Cân đối giữa dân số hiện trạng và cơ cấu dân số tới năm 2020

Dân số Mật độ, ng/ha Số hộ Dân số Mật độ, ng/ha

Tỉ lệ tăng dân số hàng năm

(Nguồn: Cục thống kê TP HCM, tổng mặt bằng 2020 của UPI [5])

Hình 2 4: Hiện trạng dân số năm 1997 và cơ cấu dân số đến năm 2020

Kết luận chương 2

Khu vực mô phỏng giai đoạn 1 của nhà máy thu gom và xử lý nước thải cho lưu vực kênh Tàu Hũ-Đôi-Tẻ có diện tích 915 ha, phục vụ cho dân số 426.000 người tại các quận 1, 3, 5 và một phần quận 10, tất cả đều thuộc nội thành.

Theo dự báo dân số đến năm 2020, mật độ dân số tại các quận nội thành có xu hướng giảm, trong khi đó mật độ dân số tại các quận ngoại thành lại tăng lên Sự thay đổi này ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng và chất lượng nước thải từ khu vực chảy về nhà máy Bình Hưng.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ỨNG DỤNG

Cở sở lý thuyết ứng dụng chung

Phương trình chính của lý thuyết ứng dụng chung tương tự như các phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng, áp dụng cho dòng chảy không ổn định của nước qua mạng lưới thoát nước Các phương trình này, được gọi là phương trình Saint Venant, có thể được diễn đạt cho dòng chảy dọc theo một ống dẫn riêng lẻ.

Trong đó: x–Khoảng cách dọc theo cống, t –thời gian,A – diện tích mặt cắt ướt, Q– lưu lượng,

Chiều cao mực nước trong cống (H) và tổn thất thủy lực trên mỗi mét chiều dài (S f) đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất của hệ thống thoát nước Ngoài ra, tổn thất năng lượng cục bộ trên đơn vị chiều dài của cống (h f) cùng với gia tốc trọng trường (g) cũng ảnh hưởng đến sự lưu thông của nước trong cống.

Tổn thất thủy lực trên mỗi mét chiều dài S f được thể hiện trong công thức Maining như sau:

R– bán kính thủy lực, n– hệ số nhám Manning, V– vận tốc dòng chảy (V=Q/A), k=1. Tổn thất năng lượng cục bộ được tính như sau: gL h f KV

Hệ số tổn thất cục bộ K tại vị trí x và chiều dài cống L là những yếu tố quan trọng trong việc giải phương trình (3.1.1) và (3.1.2) cho từng đoạn cống Để thực hiện điều này, cần có các điều kiện biên ban đầu cho H và Q tại thời điểm 0, cùng với các điều kiện biên tại x=0 và x=L cho tất cả thời gian t.

Khi phân tích mạng lưới cống dẫn, việc thiết lập mối quan hệ liên tục giữa các ngã ba là rất quan trọng, đặc biệt là tại các nút kết nối giữa hai hoặc nhiều ống dẫn.

Hình 3 1: Liên kết nút đại diện của hệ thống thoát nước

Một bề mặt nước liên tục được giả định giữa mực nước tại nút và ống dẫn vào, thoát các nút Sự thay đổi trong cột thủy lực H tại nút theo thời gian có thể được thể hiện như sau:

Diện tích bề mặt của nút Astore, ký hiệu là As, bao gồm cả diện tích bề mặt đóng góp từ các ống dẫn kết nối với nút Dòng chảy thực vào nút, ký hiệu là Q, phản ánh sự chênh lệch giữa dòng vào và dòng ra từ tất cả các ống dẫn kết nối, cũng như bất kỳ yếu tố bên ngoài nào ảnh hưởng đến dòng vào.

Phương pháp giải chung cho m ỗi c ống

Các phương trình (3.1.1), (3.1.2), (3.1.3) được giải bằng cách chuyển đổi thành một tập hợp công thức rõ ràng để tính toán dòng chảy trong từng ống dẫn và tại các nút vào thời điểm t + Δt, dựa trên các giá trị đã biết tại thời điểm t Phương trình tính toán dòng chảy trong mỗi cống bao gồm các yếu tố như tổn thất, ma sát, quán tính và trọng lực.

A= trung bình diện tích mặtcắt ngang dòng chảytrongống dẫn,

R = bán kính thủy lựctrung bình trongống dẫn,

V = vận tốc trung bình dòng chảy trong ống dẫn,

Vi = vận tốccục bộdòng chảy tại vị trí i dọc theo ống dẫn,

Ki = hệ số tổn thất cục bộ tại vị trí i dọc theo ống dẫn,

H1 = cột áptại nút thượng nguồn của ống dẫn,

H2 = cột áp tại nút hạ lưu của ống dẫn,

A1 = diện tích mặt cắtngangở cuối thượng lưu của ống dẫn,

A2 = diện tích mặt cắtngangở cuối hạ lưu của ống dẫn.

Phương trình giải cho cột áp tại mỗi nút là: t t t t t Astore As

Trong đó: Vollà thể tích thực được chảy qua các nút trên các bước thời gian như sau:

 0 5     Đểgiải phương trình (3.1.4) và (3.1.5) sử dụng phương pháp xấp xỉliên tiếp như sau:

Để tính toán dòng chảy trong ống dẫn tại thời điểm t + Δt, cần giải phương trình (3.1.4) dựa trên cột áp, diện tích và vận tốc tại thời điểm hiện tại t Kết quả sau đó được thay vào công thức (3.1.5) để tính toán cột áp bằng cách sử dụng dòng chảy đã tính toán Dòng chảy và cột áp tại thời điểm t + Δt được ký hiệu lần lượt là Q last và H last.

Phương trình (3.1.4) được giải lặp lại bằng cách sử dụng cột áp, diện tích và vận tốc tương ứng với Q last và H last đã được tính toán Hệ số  được áp dụng để tính toán dòng chảy Q new, dựa trên giá trị Q last trước đó Q new được tính theo công thức: Q new = (1 - )Q last + Q new, nhằm cung cấp giá trị cập nhật cho Q new.

Phương trình (3.1.5) được áp dụng lại để tính toán cột áp, sử dụng lưu lượng Q mới Dựa trên dòng chảy mới, cột áp mới H mới được tính toán và trọng số với H cuối để cập nhật giá trị cột áp, theo công thức H mới = (1 - Ω)H cuối + ΩH mới.

Nếu H new đủ cho H last, quá trình tính toán sẽ dừng lại với Q new và H new tại thời điểm t + Δt Nếu không, H last và Q last sẽ được cập nhật bằng H new và Q new, và bước 2 sẽ được lặp lại.

Trong quá trình tính toán lặp của SWMM 5, hệ số không đổi được sử dụng là 0.5 Khoảng hội tụ trung bình tại nút tính toán đạt 0.005 ft (0.1524 cm), với giới hạn số lần thử là 4.

Mô ph ỏng chất lượng nước

Phương trình vận tải chất:

C là nồng độ trung bình của chất hòa tan hoặc lơ lửng trên mặt cắt ngang, trong khi Q biểu thị lưu lượng và A là diện tích mặt cắt ướt Lưu lượng nhập lưu trên mỗi đơn vị chiều dài được ký hiệu là q l, và nồng độ chất tải trong lưu lượng nhập lưu là C ql SC là số hạng nguồn, thể hiện tốc độ sản sinh hoặc tiêu hủy chất hòa tan hoặc lơ lửng, và cuối cùng,  là hệ số khuếch tán.

Tại các nút nơi các nhánh nối với nhau, phương trình bảo toàn thể tích nước và bảo toàn chất tải ở dạng tích phân được sử dụng:

WJ là thể tích của nút J, trong khi Qi đại diện cho lưu lượng chảy từ nút đến nhánh thứ i qua mặt cắt kiểm soát Độ dài L i của nhánh thứ i được tính vào thể tích của nút, và C QbJ là một yếu tố quan trọng trong việc xác định các thông số này.

– tải lượng chất đổ vào nút;

Thông lượng dòng chất tải từ nút ra nhánh sông i được xác định bởi công thức QC = ε A (∂C/∂x)i, trong đó áp dụng điều kiện biên Dirichlet tại vị trí nước chảy vào và điều kiện biên Neumann tại vị trí nước chảy ra Khi chế độ dòng chảy tại mặt cắt biên thay đổi, việc lựa chọn giữa điều kiện biên Dirichlet và Neumann sẽ phụ thuộc vào pha dòng chảy cụ thể.

Trong tính toán số hạng nguồn S C cho bất cứ chất tải nào luôn luôn có thể tuyến tính hoá thành: sC r

Phương trình (3.3.1) cùng với các điều kiện biên được giải bằng phương pháp thể tích hữu hạn.

Giới thiệu phần mềm SWMM

Hiện nay, có nhiều mô hình khác nhau để mô phỏng lưu lượng và chất lượng nước thải, bao gồm MIKE 11, QUAL2E, QUAL2E-UNCAS (USEPA), PC SWMM, F28 và SWMM Trong số đó, mô hình SWMM được lựa chọn để thực hiện việc mô phỏng này.

Mô hình SWMM (Storm Water Management Model) của EPA là công cụ mô phỏng dòng chảy bề mặt do mưa, sử dụng để phân tích cả về lượng và chất trong các khu vực đô thị Nó tập trung vào thành phần runoff, bao gồm các tiểu lưu vực thu nhận mưa, tạo ra dòng chảy và vận chuyển chất ô nhiễm Phần mô phỏng dòng chảy tuyến của SWMM cho phép theo dõi sự di chuyển của nước qua hệ thống ống, kênh, công trình trữ nước, máy bơm và các công trình điều chỉnh nước Mô hình này đánh giá khối lượng và chất lượng dòng chảy phát sinh từ các tiểu lưu vực, lưu lượng và độ sâu dòng chảy, cũng như chất lượng nước trong các đường ống và kênh dẫn trong suốt quá trình mô phỏng.

 Các kh ả năng của mô h ình SWMM

SWMM tính toán được nhiều quá trình thủy lực khác nhau tạo thành dòng chảy, bao gồm:

- Tính lượng mưa biến đổi theo thời gian;

- Bốc hơi trên mặt nước tĩnh;

- Sự cản nước mưa tại các chỗ địa hình lõm có khả năng chứa nước;

- Ngấm của nước mưa xuống các lớp đất chưa bão hòa;

- Thấm của nước ngấm xuống các tầng nước ngầm;

- Sự trao đổi giữ nước ngầm và hệ thống tiêu;

- Chuyển động tuyến của dòng chảy trên mặt đất vàở các hồ chứa phi tuyến.

- Lan truyền dòng chảy tràn trên mặt

SWMM cung cấp khả năng mô phỏng linh hoạt cho thủy lực dòng chảy trong hệ thống tiêu nước, bao gồm các thành phần như đường ống, kênh, công trình trữ và xử lý nước, cũng như các công trình phân dòng.

SWMM không chỉ mô phỏng sự hình thành và vận chuyển dòng chảy mặt mà còn có khả năng tính toán sự vận chuyển chất ô nhiễm liên quan đến dòng chảy này Người sử dụng có thể mô hình hóa các quá trình chất lượng cho các phần tử mà họ xác định.

- Tích tụ chất ô nhiễm khi trời khô trên khắp các loại đất dung khác nhau.

- Sự rửa trôi chất ô nhiễm từ các loại đất dung riêng biệt trong suốt trận mưa.

- Đóng góp trực tiếp của lượng mưa rơi.

- Suy giảm sự tích tụ chất ô nhiễm khi trời khô do hoạt động quét rửa đường phố.

- Suy giảm sự vận tải chất rửa trôi do hoạt động BMP (quản lý thực hành tốt nhất).

Sự xâm nhập của dòng chảy vệ sinh trong điều kiện thời tiết khô hanh, cùng với dòng chảy từ bên ngoài vào, thường xảy ra tại những điểm được người sử dụng chỉ định trong hệ thống tiêu.

- Chuyển động theo tuyến của các phần tử chất lượng nước trên khắp hệ thống tiêu.

- Suy giảm nồng độ chất qua quá trình xử lý trong công trình trữ nước hoặc bởi các quá trình tự nhiên trong các đường ống và kênh.

 Các ứng dụng điển h ình c ủa SWMM

- Thiết kế và bốtrí các thành phần của hệ thống tiêu để kiểm soát lũ

- Bố trí các công trình trữ nước (điều hòa nước) và các thiết bị của chúng để kiểm soát lũ và bảo vệ chất lượng nước.

- Lập bản đồ ngập lụt của các hệ thống kênh tự nhiên

- Vạch ra các phương án làm giảm hiện tượng chảy tràn của mạng lưới thoát nước hỗn hợp.

- Đánh giá tác động của dòng chảy vào và dòng thấm lên sự chảy tràn của hệ thống thoát nước thải.

- Tạo ra các hiệu ứng của BMP để làm giảm sự tải chất ô nhiễm khi trời mưa.

Kết luận chương 3

Mô hình SWMM được lựa chọn để mô phỏng lưu lượng và chất lượng nước thải chảy về nhà máy Bình Hưng, nhờ vào các khả năng, ứng dụng, và sơ đồ làm việc của nó Việc sử dụng phần mềm này phù hợp với yêu cầu của đề tài luận văn.

SWMM là một mô hình phức tạp với nhiều phương pháp xử lý thủy văn và thủy lực chi tiết Để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng mô hình này, cần đầu tư thời gian và công sức đáng kể, đồng thời kết hợp với việc quản lý dữ liệu địa hình của lưu vực nghiên cứu thông qua phần mềm MapInfo.

MÔ HÌNH HÓA LƯU LƯỢNG VÀ CHẤT LƯỢNG NƯỚC THẢI

Thiết lập mô hình mô phỏng

Sử dụng phần mềm Mapinfo:

- Cập nhật và lấy cao độ địa hình cho hệ thống hố ga thu nước thải, hệ thống cống thoát nước thải

- Phân chia diện tích tiểu lưu vực thoát nước

- Thể hiệnmạng lưới đường cống, hố ga thoát nước của từng tiểu lưu vực

- Đo đạc, tính toán diện tích tiểu lưu vực đã phân chia

Phần mềm SWMM được sử dụng để mô phỏng thủy lực thoát nước cho từng giai đoạn và phương án khác nhau của luận văn.

Mô hình mô phỏng giai đoạn 1 lưu lượng và chất lượng nước thải của nhà máy khi không mưa và khi có mưa

Mô phỏng lưu lượng nước thải

Hình 4 2: Bản đồ mô phỏng lưu vực thoát nước giai đoạn 1 về nhà máy Bình Hưng

Giai đoạn 1 của dự án nhà máy thu gom và xử lý nước thải cho lưu vực kênh Đôi – Tẻ có diện tích 915 ha, phục vụ cho dân số 426.000 người tại các quận 1 và 3 của nội đô.

5, và một phần quận 10 Công suất xử lý giai đoạn 1 là 141000 m3/ngày.

Bản đồ thoát nước giai đoạn 1 đã được sơ đồ hóa thành 39 tiểu lưu vực, 38 đoạn ống và 39 nút, với tổng diện tích lưu vực mô phỏng đạt 914,82 ha và dân số khoảng 426.164 người.

4.2.2 Tính toán lưu lượng nước thải khi không mưa và khi có mưa a, Không mưa

Hình 4 3:Sơ đồ SWMM mô phỏng thoát nước thải khi không mưa giai đoạn 1

Lưu lượng nước thải được tính theo công thức sau :

Q tb : lưu lượng nước thải trung bình ngàyđêm.

N: dân số tính toán. q t : tiêu chuẩn thoát nước, quy hoạch thoát nước đến năm 2020 là q t 35 L/người.ngày đêm [5] Nội suy lưu lượng trung bình giây từ bảng 2.6 [18 ] ta có bảng dao động lưu lượng theo giờ

Bảng 4.1: Chiều dài, đường kính ống lưu vực

Bảng 4.2: Hệ số thoát nước không điều hòa theo giờ

Nước sinh hoạt Nước sinh hoạt

Giờ %Qtb Kh Giờ %Qtb Kh

Hình 4 4: Phần trăm lưu lượng nước thải trong 24h

Hình 4 5: Hệ số Pattern nước thải

Bảng 4.3:Lưu lượng nước thải khu dân cư

Diện tích lưu vực, ha

Mật độ dân số năm 1997, người/ha

Tiêu chuẩn nước thải trong nội thành, l/người.day

Lưu lượng nước thải, m3/day

Hình 4 6:Sơ đồ SWMMmô phỏng thoát nước thải khi có mưa giai đoạn 1 b, Khi có mưa

Với các lưu vực thoát nước, thể tích và dòng chảy tạo ra do mưa gồm các đặc trưng :

- Đặc tính của cơn mưa ( cường độ, thời gian mưa, sự phân bố theo không gian và thời gian )

- Đặc tính về bề mặt của lưu vực

- Các quy luật về dòng chảy mặt.

Mùa mưa tại khu vực kéo dài từ tháng 5 đến tháng 11, với cường độ mưa được lấy từ trạm Tân Sơn Nhất và chu kỳ lặp lại là 2 năm Đường IDF được tính toán dựa trên dữ liệu mưa trong khoảng thời gian 3 giờ từ năm 1933 đến 1989 của Phân viện Thủy lợi TP Hồ Chí Minh Để thiết kế biểu đồ mưa tại trạm Tân Sơn Nhất, đã phân tích mưa của mười trận mưa lớn gần đây, với tổng lượng mưa ngày từ 90 đến 120mm, cho thấy mưa thường tập trung trong 3 giờ đầu và giảm dần trong vòng 6 giờ sau đó.

Bảng 4.4:Cường độ mưatại trạm Tân Sơn Nhất.

(Nguồn: Trung tâm Khí tượng Thủy văn phía Nam)

Hình 4 7:Cường độ mưachu kỳ 2 năm tại trạm Tân Sơn Nhất

4.2.3 Điều kiện biên Điều kiện biên mô phỏng lưu lượng nước thải khi không mưa là lưu lượng nước thải tại mỗi nút Lưu lượng nước thải tại mỗi nút được tính toán cụ thể theo tiêu chuẩn thoát nước thải, mật độ dân số của khu vực và diện tích mỗi lưu vực. Điều kiện biên mô phỏng lưu lượng nước thải khi có mưa: Ngoài lưu lượng nước thải tại mỗi nút còn có lượng mưa tại mỗi lưu vực đổ vào nút.

4.2.4 Mô phỏng lưu lượng nước thải vào khi không mưa

Thực hiện mô phỏng trong1 ngày (24h), kết quả mô phỏng tại mặt cắt cống xả về trạm bơm ĐồngDiều như sau:

Bảng 4.5: Diễn biến lưu lượng, mực nước, vận tốc, độ đầy trong ngày tại cống xả về trạm Đồng Diều – Khi không mưa Table - Link Congxa

Khi thời tiết khô ráo, mực nước thải trong hệ thống cống thoát nước không thay đổi nhiều theo giờ do diện tích lưu vực lớn và dân cư đông đúc, dẫn đến hệ số thời gian ổn định Sự biến đổi của mực nước phụ thuộc vào sự thay đổi lưu lượng.

Mực nước thấp nhất và cao nhất tại mặt cắt trong đoạn cốngxả về trạm Đồng Diều lần lượt là 0.41m và 0.7m vào lúc 1h00 và 11h00, 12h00 và từ 16h00 đến 23h00.

Hình 4 8:Điển hình diễn biến mực nước trong cống xả nướcthải-khi không mưa

Hình 4 9: Mực nước trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 11h00 – Không có mưa

Hình 4 10: Mực nước trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 13h00 – Không có mưa

Hình 4 11: Mực nước trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 15h00 – Không có mưa

Hình 4 12: Mực nước trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 16h00– Không có mưa

Hình 4 13: Mực nước trong hệ thống cống thoát nước thải lúc23h00–Không có mưa

Vận tốc nước thải trong cống trong điều kiện khô ráo không có mưa thường ổn định, với giá trị nhỏ nhất là 1.14 m/s và lớn nhất là 1.71 m/s tại mặt cắt cống xả-thu gom điển hình.

Hình 4 14:Điển hình diễn biến vận tốc trong cống xả thoát nước thải – Không có mưa

Hình 4 15: Vận tốc trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 11h00 – Không có mưa

Hình 4 16: Vận tốc trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 13h00 – Không có mưa

Hình 4 17: Vận tốc trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 15h00 – Không cơ mưa

Hình 4 18: Vận tốc trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 16h00 – Không có mưa

Hình 4 19: Vận tốc trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 23h00 – Không có mưa

Trong vòng 24 giờ, số liệu từ phần mềm cho thấy lưu lượng nước thải đầu vào và lưu lượng thoát ra qua cửa xả thay đổi theo từng thời điểm Tuy nhiên, tổng lượng nước vào luôn lớn hơn tổng lượng nước thoát ra, và một phần nhỏ lưu lượng nước thải vẫn tồn đọng trong đường ống và hố ga thoát nước.

Total System Inflow = 2641 m 3 , Total System Outflow = 2525 m 3 Sai số4.6%

Lưu lượng nhỏ nhất và lớn nhất qua mặt cắt cống xả lần lượt là 0.6m 3 /s và 1.94m 3 /s

Hình 4 20: Diễn biến lưu lượng tại MC cống xả vào trạm Đồng Diều – Không có mưa

Hình 4 21: Diễn biến lưu lượngvào hệ thống cống thoát nước thải–Không có mưa

Hình 4 22: Diễn biến lưu lượngra của hệ thống cống thoát nước thải – Không có mưa

Hình 4 23: Diễn biến lưu lượng vào, ra khỏi hệ thống – Không có mưa

Hình 4 24:Lưu lượngtrong hệ thống cống thoát nước thải lúc 11h00 – Không có mưa

Hình 4 25:Lưu lượng trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 13h00 – Không có mưa

Hình 4 26:Lưu lượng trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 15h00– Không có mưa

Hình 4 27:Lưu lượng trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 16h00 – Không có mưa

Hình 4.28 minh họa lưu lượng nước trong hệ thống cống thoát nước thải vào lúc 23h00 trong điều kiện không có mưa Đặc biệt, biểu đồ độ cao từ nút J7 đến J32 cho thấy sự thay đổi lưu lượng thoát nước thải tại một số thời điểm trong ngày.

Hình 4 29:Điển hình elevation profilenút J7 đếnJ32 lúc 11h00– Không có mưa

Hình 4 30:Điển hình elevation profile nút J7 đếnJ32 lúc 13h00– Không có mưa

Hình 4 31:Điển hình elevation profile nút J7đếnJ32 lúc 15h00– Không có mưa

Hình 4 32:Điển hình elevation profilenút J7 đếnJ32 lúc 16h00–Không có mưa

Hình 4 33:Điển hình elevation profile nút J7đếnJ32 lúc 23h00– Không có mưa

4.2.5 Mô phỏng lưu lượng nước thảikhi cómưa

Thực hiện mô phỏng trong 1 ngày (24h), kết quả mô phỏng tại mặt cắt cống xả về trạm bơm ĐồngDiều như sau:

Bảng 4.6: Diễn biến lưu lượng, mực nước, vận tốc, độ đầy trong ngày tại cống xả về trạm Đồng Diều – Khi có mưa

Table - Link Congxa Flow Depth Velocity Capacity

Trong thời gian mưa từ 15h đến 18h, mực nước thải trong hệ thống cống thoát nước có sự biến đổi rõ rệt theo từng giờ Với lưu vực nghiên cứu lớn và dân cư đông đúc, hệ số thời gian nước thải thường không ổn định trong các khoảng thời gian không có mưa Tuy nhiên, khi có mưa lớn, lưu lượng nước trong hệ thống ống dẫn tăng nhanh từ 15h đến 16h, sau đó giảm nhanh sau 16h Sự biến đổi này làm cho mực nước cũng thay đổi đáng kể, với khoảng dao động lưu lượng lớn hơn trong thời gian mưa.

Mực nước thấp nhất và cao nhất tại mặt cắt trong đoạn cống xả về trạm Đồng Diều lần lượt là 0.41m và 1.79m vào lúc 1h00 và 16h00 khi mưa lớn.

Hình 4 34:Điển hình diễn biến mực nước trong cống xả thoát nước thải- Cómưa

Hình 4 35: Mực nước trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 16h00 –Cómưa

Hình 4 36: Mực nước trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 18h00 –Có mưa

Hình 4 37: Mực nước trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 20h00 –Cómưa

Hình 4 38: Mực nước trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 23h00 –Cómưa

Vận tốc của nước thải trong cống khi có mưa thay đổi đáng kể Tại mặt cắt cống xả-thu gom điển hình, vận tốc tối thiểu đạt 1.14 m/s, trong khi vận tốc tối đa lên tới 3.32 m/s.

Hình 4 39:Điển hình diễn biến vận tốc trong cống xả thoát nước thải –Cómưa

Hình 4 40: Vận tốc trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 16h00–Có mưa

Hình 4 41: Vận tốc trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 18h00–Có mưa

Hình 4 42: Vận tốc trong hệthống cống thoát nước thải lúc 20h00–Cómưa

Hình 4 43: Vận tốc trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 23h00–Cómưa

Trong vòng 24 giờ, phần mềm thống kê cho thấy lưu lượng nước thải đầu vào và lưu lượng thoát ra tại các cửa xả có sự chênh lệch đáng kể, với tổng lượng nước vào lớn hơn nhiều so với lượng nước thoát ra Khi mưa lớn xảy ra, chỉ một phần nhỏ lượng nước mưa đầu tiên được dẫn vào hệ thống, trong khi phần lớn nước mưa sẽ được tách qua giếng tràn và sử dụng bơm tăng cường để thoát nước ra hệ thống kênh Tàu Hũ – Đôi – Tẻ.

Bảng 4.7: Kết quả hệ thống – mùa mưa

Table - System Results Runoff DW Iflow Total Inflow Flooding Outflow

Date Time (CMS) (CMS) (CMS) (CMS) (CMS)

Lưu lượng nhỏ nhất và lớn nhất qua mặt cắt cống xả lần lượt là 0.6m³/s và

12.51m³/s vào lúc 1h00 và 16h00khi cường độ mưa lớn nhất, sau đó giảm dần vào những giờ tiếp theo, đến lúc 1h00 thì lưu lượng thoát nước trở lại như bình thường.

Hình 4 44: Diễn biến lưu lượng đầu vào của hệ thống cống thoát nước thải –Cómưa

Hình 4 45: Diễn biến lưu lượng tại cống xả vào trạm Đồng Diều –Cómưa

Hình 4 46: Diễn biến lưu lượng vào, thoát ra khỏi hệ thống –Cómưa

Hình 4 47: Lưu lượng trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 16h00–Cómưa

Hình 4 48:Lưu lượng trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 18h00–Cómưa

Hình 4 49:Lưu lượng trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 20h00–Cómưa

Hình 4 50:Lưu lượng trong hệ thống cống thoát nước thải lúc 23h00–Cómưa Điển hình elevation profile từ nút J7 đến J32 tại một số thời điểm thoát nước thải trong ngày.

Hình 4 51:Điển hình elevation profile nút J7đếnJ32 lúc 16h00–Cómưa

Hình 4 52:Điển hình elevation profile nút J7đếnJ32 lúc 18h00–Cómưa

Hình 4 53: Điển hình elevation profile nút J7đếnJ32 lúc 20h00–Cómưa

Hình 4 54: Điển hình elevation profile nút J7đếnJ32 lúc 23h00–Cómưa

4.2.6 So sánh kết quả mô phỏng lưu lượng nước thải khi không mưa và khi có mưa

Sự chênh lệch lưu lượng nước giữa thời điểm không mưa và có mưa dẫn đến biến động về mực nước và vận tốc dòng chảy Trong khoảng thời gian từ 15h đến 18h, khi mưa diễn ra trên toàn bộ lưu vực, hệ thống thoát nước thường bị quá tải Phần lớn lượng nước mưa sẽ được xử lý qua giếng tách nước mưa có van một chiều và bơm tăng cường, trong khi chỉ một lượng nhỏ nước mưa được hòa vào hệ thống thoát nước thải Lưu lượng mưa lớn cũng gây ra tình trạng ngập úng tại các tiểu lưu vực, với thời gian ngập khác nhau, từ 0.08h ở lưu vực J5 đến 4.35h ở lưu vực J24.

Giếng tách nước mưa được xây dựng ở cuối tuyến cống chính nhằm tự động xả hỗn hợp nước mưa và nước thải đã pha loãng ra sông, giúp giảm kích thước cống bao và duy trì hoạt động ổn định cho hệ thống thoát nước cùng các công trình liên quan Một loại giếng tràn tách nước mưa đang được thiết kế cho hệ thống thoát nước TP Hồ Chí Minh.

Hình 4 55: Hình giếng tràn tách nước mưa – thiết kế điển hình cho hệ thống thoát nước TP Hồ Chí Minh

Chế độ làm việc của giếng tràn nước mưa đặc trưng bởi hệ số pha loãng n 0

Q nm : lưu lượng nước mưa chảy vào hệ thống xử lý nước thải

Qnt: lưu lượng nước thải trong mùa khô.

Theo kết quả mô hình mô phỏng thì hệ số pha loãng tính toánđược là n 0 =0.615

Bảng 4 8:So sánh lưu lượng, mực nước, vận tốc khi không mưa khi có mưa tại cống xả vào trạm Đồng Diều Table - Link Congxa

Flow, (CMS) Depth, (m) Velocity, (m/s) Capacity

Không mưa Có mưa Không mưa Có mưa Không mưa

Hình 4 56: So sánh lưu lượng khi không mưa – khi có mưa tại cống xả vào trạm Đồng Diều

Hình 4 57: So sánh mực nước khi không mưa – khi có mưa tại cống xả vào trạm Đồng Diều

Hình 4 58: So sánh vận tốc khi không mưa – khi có mưa tại cống xả vào trạm ĐồngDiều

Hình 4 59:So sánh độ đầy khi không mưa – khi có mưa tại cống xả vào trạm Đồng Diều

Mô phỏng chất lượng nước thải

Thông số tính toán chất ô nhiễm trong nước thải dựa theo tiêu chuẩn TCVN 85-2008 như sau:

- Tiêu chuẩn thoát nước q 35 l/người.ngày

- Tải trọng BOD5 e g/người.ngày

- Tải trọng SS ` g/người.ngày

Thông số mô phỏng nước thải đầu vào trong mô hìnhkhi không mưa

Thông số giả định tính toán trong nước mưa theo WHO

- Nồng độSS = 10-20 mg/l, chọn 15 mg/l

- Nồng độ COD = 10-20 mg/l, chọn 15mg/l

Một số đặc trưng chất lượng nước của dòng chảy mặt ở đô thị [9 ]

- Nồng độ SS = 180-548 mg/l, chọn 350 mg/l

- Nồng độ BOD5 = 12 -19 mg/l, chọn 15 mg/l

- Nồng độ COD = 82-178 mg/l, chọn 130 mg/l

- Nồng độ P tổng= 0.42-0.88 mg/l, chọn 0.6 mg/l

Trong mô phỏng, hàm tích tụ (buildup) được xác định với giả định rằng các chất ô nhiễm trong dòng chảy mặt đô thị sẽ tích tụ với hệ số không đổi là 1kg/ha.ngày cho đến khi đạt giới hạn 59.73 kg Đối với các khu vực đất thưa hoặc không sử dụng, sự tích tụ được giả định chỉ bằng một nửa, với hệ số tích tụ là 0.5.

Xác định hàm rửa trôi (washoff), ta lần lượt xác định nồng độ các chất ô nhiễm

SS, BOD5, COD, P tổng là 350 mg/l, 15 mg/l, 130 mg/l, 0.6mg/l cho diện tích đất sử dụng và 175 mg/l, 7.5 mg/l, 65 mg/l, 0.3 mg/l cho diện tích đất thưa hay không sử dụng.

Nồng độ các chất ô nhiễm như BOD5,SS, N, P, COD… lần lượt được khai báo tại các nút đầu vào của mô hình.

4.3.2 Mô phỏng chất lượng nước thải khi không có mưa

Khi không có mưa, nồng độ các chất ô nhiễm như BOD5, SS, N và P trong toàn bộ lưu vực được tính toán chỉ từ nguồn nước thải sinh hoạt, không bao gồm nguồn từ mưa hay dòng chảy mặt đô thị.

Nồng độ các chất ô nhiễm thay đổi theo lưu lượng tại mỗi nút trong suốt cả ngày và chịu ảnh hưởng bởi hệ số không điều hòa giờ.

Mô phỏng trong24h ta có kết quả tải trọng các chất ô nhiễm, xuất file tải trọng các chất ô nhiễm trong 1 ngày tại trạm Đồng Diều như sau

Bảng 4.9: Bảngtải trọng ô nhiễm tại trạm Đồng Diều – Khi không cómưa

Tải trọng chất ô nhiễm từ các nút của từng lưu vực vận chuyển về trạm bơm Đồng Diều chủ yếu là từ nước thải sinh hoạt, đặc biệt trong những ngày không có mưa.

Bảng 4.10: Diễn biến nồng độcác chất ô nhiễm trong ngày tại trạm Đồng Diều –Khi không có mưa

Date Time (MG/L) (MG/L) (MG/L) (MG/L)

Trong ngày, nồng độ các chất ô nhiễm tại trạm Đồng Diều, bao gồm BOD5, SS, N và P, đạt mức cao nhất vào lúc 6h, với các giá trị lần lượt là 113.57 mg/l, 104.79 mg/l, 12.23 mg/l và 2.99 mg/l.

Hình 4 60: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm BOD5 tại trạm Đồng Diều –Không có mưa

Hình 4 61: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm SS tại trạm Đồng Diều – Không có mưa

Hình 4 62: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm N tổng tại trạm Đồng Diều –Không có mưa

Hình 4 63: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm P tổng tại trạm Đồng Diều –Không có mưa

Hình 4 64: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm BOD5 tại mặt cắt cống xả –Không có mưa

Hình 4 65: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm SS tại mặt cắt cống xả – Không có mưa

Hình 4 66: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm N tổng tại mặt cắt cống xả –Không có mưa

Hình 4 67: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm P tổng tại mặt cắt cống xả –Không có mưa

Hình 4 68:Điển hình nồng độ BOD5 tại nút và trongống lúc 16h00– Không có mưa

Hình 4 69:Điển hình nồng độ SS tại nút và trongống lúc 16h00– Không có mưa

Hình 4 70:Điển hình nồng độ N tổngtại nút và trongốnglúc 16h00 –Không có mưa

Hình 4 71:Điển hình nồng độ P tổng tại nút và trongốnglúc 16h00– Không có mưa

4.3.3 Mô phỏng chất lượng nước thải khi có mưa

Khi có mưa, nồng độ các chất ô nhiễm như BOD5, SS, N, P từ nước thải sinh hoạt và dòng chảy mặt đô thị được tính toán từ mô hình toàn bộ lưu vực Đồng thời, cần xem xét nồng độ COD có trong nước mưa và dòng chảy mặt đô thị.

Trong 10 đến 15 phút đầu tiên của trận mưa, nước mưa chảy vào hệ thống thoát nước thải, mang theo nhiều chất ô nhiễm từ dòng chảy mặt đô thị Đồng thời, nước mưa cũng chứa các thành phần ô nhiễm từ không khí bị cuốn vào trong quá trình mưa.

Khi mưa lớn xảy ra, nước mưa có thể pha loãng nước thải do nồng độ ô nhiễm trong nước mưa thường thấp Điều này giúp giảm nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải, góp phần cải thiện chất lượng nước.

Bảng 4.11: Bảng tải trọng ô nhiễm tại trạm Đồng Diều – Khi có mưa

Tải trọng ô nhiễm từ các lưu vực đến trạm bơm Đồng Diều tăng lên khi có mưa, bao gồm chất ô nhiễm từ nước thải sinh hoạt, chất ô nhiễm rửa trôi từ bề mặt đường và cả trong nước mưa.

Bảng 4 12: Diễn biến nồng độ các chất ô nhiễm trong ngày tại trạm Đồng Diều –Khi có mưa

Date Time (MG/L) (MG/L) (MG/L) (MG/L) (MG/L)

Hình 4 72: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm BOD5 tại trạm Đồng Diều –Cómưa

Hình 4 73: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm SS tại trạm Đồng Diều – Có mưa

Hình 4 74: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm N tổng tại trạm Đồng Diều – Có mưa

Khi có mưa, nồng độ chất ô nhiễm P tổng tại trạm Đồng Diều giảm mạnh do lưu lượng nước mưa lớn pha loãng với nước thải Tuy nhiên, tải trọng chất ô nhiễm vẫn cao do hiện tượng rửa trôi từ bề mặt tích tụ chất ô nhiễm lâu ngày và các chất ô nhiễm có trong nước mưa.

Hình 4 76: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm BOD5 tại mặt cắt cống xả – Có mưa

Hình 4 77: Diễn biến nồng độ chất ônhiễm SS tại mặt cắt cống xả – Có mưa

Hình 4 78: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm N tại mặt cắt cống xả – Có mưa

Hình 4 79: Diễn biến nồng độ chất ô nhiễm P tại mặt cắt cống xả – Có mưa

Hình 4 80:Điển hình nồng độ BOD5 tại các nút và trongống lúc 16h00 – Có mưa

Hình 4 81: Điển hình nồng độSS tại các nút và trongốnglúc 16h00 – Có mưa

Hình 4 82:Điển hình nồng độ N tổngtại các nút và trongốnglúc 16h00– Có mưa

Hình 4 83:Điển hình nồng độ P tổng tại các nút và trongốnglúc 16h00– Có mưa

Hình 4 84:Điển hình nồng độ COD tổng tại các nút và trongốnglúc 16h00–Có mưa

Trong khoảng thời gian từ 15h00 đến 18h00 khi mưa bắt đầu và dừng lại, nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải giảm đáng kể Sự giảm này tiếp tục diễn ra trong những giờ tiếp theo Trong các giờ còn lại trong ngày không có mưa, nồng độ các chất ô nhiễm gần giống như mức độ trong mùa khô.

Hệ số pha loãng nồng độ nước thải khi có mưa tính toán được là n = 0.615

4.3.4 So sánh kết quả mô phỏng chất lượng nước thải khi không mưa và khi có mưa

Khi không có mưa, nồng độ ô nhiễm trong nước thải duy trì ổn định Tuy nhiên, trong thời gian mưa lớn, hàm lượng các chất ô nhiễm giảm đáng kể và tiếp tục giảm trong những giờ tiếp theo Sau khoảng 6 giờ mưa, nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải sẽ trở về mức bình thường như trước khi mưa.

Bảng 4.13: So sánh nồng độ các chất ô nhiễm khi không mưa và khi có mưa tại trạm Đồng Diều Table - Node TramDongDieu

BOD5, MG/L SS, MG/L N, MG/L P, MG/L

Hình 4 85: So sánh nồng độ BOD5 khi không mưa và có mưa tại trạm Đồng Diều

Hình 4 86: So sánh nồng độ SS khi không mưa và có mưa tạitrạm Đồng Diều

Hình 4 87: So sánh nồng độ N tổng khi không mưa và có mưa tạitrạm Đồng Diều

Tại trạm Đồng Diều, nồng độ tổng P khi có mưa thấp hơn so với khi không mưa Cụ thể, vào lúc 16h, nồng độ các chất ô nhiễm như BOD5, SS, N, P trong nước thải giảm xuống mức thấp nhất do được pha loãng bởi lượng nước mưa lớn, với các giá trị lần lượt là 30.55 mg/l, 37.55 mg/l, 2.16 mg/l và 0.95 mg/l.

So sánh kết quả mô phỏng và thực tế của nhà máy

4.4.1 So sánh lưu lượng nước thải

Lưu lượng tính toán mô phỏng trong mô hình và lưu lượng thực tế tại nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng cho thấy sự tương đồng đáng kể, đặc biệt khi không có mưa Mô hình mô phỏng phản ánh xu hướng biến động lưu lượng gần gũi với các thời điểm đo thực tế tại trạm Đồng Diều, với kết quả mô phỏng ít dao động hơn so với số liệu thực tế Tuy nhiên, khoảng giá trị lưu lượng thực tế lại có sự dao động lớn hơn so với lý thuyết, điều này có thể do sự khác biệt giữa hệ số không điều hòa theo giờ thực tế và lý thuyết.

Bảng 4.14: Sosánh lưu lượng mô phỏng với lưu lượng nước thảitại trạm Đồng Diều năm 2011

Từ kết quả mô phỏng, m3/s

T ừ kết qu ả mô ph ỏng, m3/h

Hình 4 89: Sosánh lưu lượng mô phỏng với lưu lượng nước thải tại trạm Đồng Diều năm 2011

4.4.2 So sánh chất lượng nước thải

Nồng độ BOD5 trong mô phỏng tương đồng với kết quả thực tế tại trạm Đồng Diều, tuy nhiên, từ 8h00 đến 10h00, lưu lượng mô phỏng vượt quá lưu lượng thực tế Nguyên nhân có thể do sự khác biệt giữa hệ số không điều hòa theo giờ lý thuyết và hệ số không điều hòa thực tế.

Bảng 4.15: So sánh nồng độ BOD5 với nồng độBOD5 tại trạm Đồng Diều năm 2011

Từ kết quả mô phỏng, mg/l

Hình 4 90:Đồ thị so sánh nồng độ BOD5 mô phỏng với nồng độ BOD5 tại trạm Đồng Diều năm 2011

Bảng 4.16: So sánh nồng độ SS với nồng độ SS tại trạm Đồng Diều năm 2011

Từ kết quả mô phỏng, mg/l

Hình 4 91:Đồ thị so sánh nồng độ SS mô phỏngvới nồng độ SS tại trạm Đồng Diều năm 2011

Nồng độ SS tại trạm Đồng Diều trong mô phỏng cho thấy sự tương đồng với kết quả thực tế, tuy nhiên có những thời điểm nồng độ SS gia tăng đáng kể Nguyên nhân có thể xuất phát từ việc nguồn nước thải sản xuất trong khu dân cư chưa được xử lý trước khi được xả vào hệ thống cống chung thoát nước.

Bảng 4.17: So sánh nồng độ N tổngmô phỏngvới nồng độ N tổng tại trạm Đồng Diều năm 2011

Từ kết quả mô phỏng, mg/l

Hình 4 92:Đồ thị so sánh nồng độ N tổng mô phỏngvới nồng độ N tổng tại trạm Đồng Diều năm 2011

Khi so sánh nồng độ N tổng tại trạm Đồng Diều, kết quả mô phỏng cho thấy nồng độ này thấp hơn so với thực tế Cụ thể, hàm lượng N tổng thực tế tại trạm Đồng Diều lớn hơn từ 1.5 đến 2 lần so với giá trị mô phỏng.

Bảng 4.18: So sánh nồng độ P tổng với nồng độ P tổng tại trạm Đồng Diều năm 2011

Từ kết quả mô phỏng, mg/l

Hình 4 93:Đồ thị so sánh nồng độ P tổng mô phỏngvới nồng độ P tổng tại trạm Đồng Diều năm 2011

Nồng độ P tổng khi mô phỏng lớn hơn so với kết quả thực tế biến đổi tại trạm Đồng Diều, nhưng sự lớn hơn là không đáng kể.