Đề xuất phương án thiết kế giếng thu nước mưa phù hợp, góp phần giảm ngập úng trong đô thị

Tóm tắt: Việc lựa chọn vị trí, khoảng cách giữa các giếng thu nước mưa và kiểu thu nước mưa trên các tuyến đường giao thông có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả hoạt động của cả hệ thống thoát nước mưa. Bài viết này được trình bày trên cơ sở tham khảo các tài liệu chuyên ngành để đưa ra phương pháp tính toán khả năng tiếp nhận nước của các giếng thu nước mưa đối với từng kiểu thu nước mưa khác nhau. Trên cơ sở đó, chúng tôi đệ trình phương pháp tính toán để các kỹ sư có thể xác định khoảng cách tối đa giữa các giếng thu nước mưa khi tính toán thiết kế hệ thống thoát nước. Phương pháp tính toán sẽ giúp chúng ta có được sự lựa chọn tốt nhất trong các phương án so sánh để phục vụ công tác thiết kế, nâng cấp cải tạo hệ thống thoát nước đô thị.

Từ khóa: Hệ thống thoát nước, Ngập lụt, Giếng thu nước mưa, Kiểu thu nước mưa

1. GIỚI THIỆU

Tình trạng ngập nước tại các đường phố tại các thành phố của Việt Nam đang trở nên ngày càng phức tạp. Nguyên nhân gây ra ngập nước thì có nhiều, trong đó có nguyên nhân do nước mưa trên mặt đường không thoát kịp xuống cống, đặc biệt là trên những tuyến đường có độ dốc lớn, nước mưa tập trung về khu vực trũng thấp, làm quá tải các giếng thu nước mưa tại khu vực này. Ngoài ra cũng có nguyên nhân do chưa kịp thời vệ sinh các lưới chắn rác, miệng thu... làm cho nước không thoát xuống cống được. 

Trong bài viết này, chúng tôi chỉ tập trung vào yếu tố kỹ thuật khi thiết kế các giếng thu nước mưa trong hệ thống thoát nước đô thị và đề xuất một phương pháp giải quyết các vấn đề các kỹ sư đang gặp phải khi thiết kế giếng thu nước mưa trên thực tế. Phương pháp này được đề xuất dựa trên nguyên tắc tính toán khả năng thoát nước của từng loại cửa thu nước mưa, so sánh với lưu lượng nước mưa cần phải thoát, từ đó tính toán khoảng cách tối đa giữa các giếng thu nước mưa trên đường giao thông [4]. Dựa trên kết quả tính toán, các kỹ sư có thể lựa chọn kiểu thu nước mưa phù hợp với từng tuyến đường giao thông.

2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Lưu lượng nước chảy dọc theo rãnh biên của đường giao thông.

Theo quy định hiện hành, các đường giao thông có bố trí rãnh biên phải có độ dốc dọc tối thiểu là 3 ‰ [1], tuy nhiên, đối với đường giao thông trong đô thị không quy định độ dốc dọc tối thiểu. Trong bài viết này, chúng tôi giả thiết phần diện tích mặt đường, sát với bó vỉa, được coi là rãnh biên (Hình 1). Những nghiên cứu trong bài viết này chỉ tập trung nghiên cứu phương pháp tính toán thiết kế giếng thu nước mưa cho những đường giao thông có độ dốc dọc tối thiểu là là 3 ‰, nước mưa từ đường giao thông và các khu vực lân cận sẽ tập trung về các rãnh biên và chảy xuống hạ lưu. Các giếng thu nước mưa sẽ được thiết kế để thu nước từ các rãnh biên này.

Trước khi tính toán khả năng thu nước mưa của các giếng thu, ta xem xét tính toán lưu lượng nước chảy trong rãnh biên của đường giao thông, ngay sát bó vỉa (Hình 1) [4]. Đây là loại rãnh biên đang được sử dụng rộng rãi tại các tuyến đường giao thông đô thị tại Việt Nam.


Hình 1: Mặt cắt ngang rãnh biên của đường giao thông

T: Chiều rộng lớp nước trên đường, tính từ bó vỉa theo mặt cắt ngang. 
Sx: Độ dốc ngang của đường
Sw: Độ dốc ngang của bó vỉa
Để đơn giản, có thể giả thiết Sx=Sw

Công thức tính chiều rộng lớp nước trên đường:
 (m)               (1)
Công thức tính chiều sâu dòng chảy trung bình trong rãnh biên(d)
d=T.Sx  (m)                               (2)

Công thức tính vận tốc trung bình của dòng chảy trong rãnh biên[4].
 (m/s)              (3)  
Trong đó
n: Hệ số Manning
Q: Lưu lượng nước chảy trong rãnh biên(m3/s) (Q=Qw+Qs)
Sx: Độ dốc ngang của đường(m/m)
SL: Độ dốc dọc của đường(m/m)

2.2. Tính toán lưu lượng nước chảy vào giếng thu nước mưa.

Hiện nay, khi thiết kế hệ thống thoát nước nước mưa, các kỹ sư thường căn cứ theo quy chuẩn và tiêu chuẩn chuyên ngành để lựa chọn khoảng cách giữa các giếng thu nước mưa [1], [2]. Theo quy định hiện hành, cần phải tính toán khoảng cách giữa các giếng thu nước mưa đặt ở rãnh đường [2], tuy nhiên, hiện nay chưa có hướng dẫn tính toán khoảng cách giữa các giếng thu nước mưa đối với từng kiểu thu nước mưa, cũng như mối liên hệ giữa giếng thu nước mưa và diện tích phục vụ. Tại thành phố Hồ Chí Minh cũng áp dụng thiết kế điển hình kiểu thu nước mưa dạng lưới chắn rác (cho các giếng nước mưa vỉa hè) và nắp thu nước mưa (cho các hố ga thu nước mưa lòng đường), tuy nhiên cũng chưa có hướng dẫn cụ thể về khoảng cách giữa các giếng thu, hố ga thu nước mưa.

Hiện nay, tại Việt Nam đang sử dụng các loại thu nước mưa mặt đường giao thông kiểu thu mặt đường; kiểu hố bó vỉa (kiểu "hàm ếch”) và  kiểu hỗn hợp (Hình 2):
 
  a. Kiểu thu mặt đường                                    b. Kiểu hố bó vỉa                                             c. Kiểu hỗn hợp

Hình 2: Sơ đồ kiểu thu nước mưa điển hình

Hiện nay chưa có quy định cụ thể khi lựa chọn kiểu thu nước mưa và song chắn rác, trong khi hiệu quả thu nước của các giếng thu nước mưa phụ thuộc hoàn toàn vào kiểu thu nước mưa và cấu tạo của các song chắn rác. 

Trên kết quả thực nghiệm, các nhà khoa học đã nghiên cứu khả năng thu gom nước mưa của một số giếng thu nước mưa với các kiểu thu nước điển hình (Hình 2) [4]. Dưới đây trình bày phương pháp tính toán khả năng thu nước của một số kiểu cửa thu nước thường gặp (chưa tính đến hệ số dự phòng cho trường hợp bị nghẹt do rác thải).

Tỷ số giữa lưu lượng chảy đến cửa thu và tổng lưu lượng của rãnh biên (E0) được tính theo công thức: 
                    
Trong đó:
QW: Lưu lượng đi vào chiều rộng cửa thu W (m3/s)
Q: Lượng nước mưa chảy trên rãnh biên(m3/s)
W: Chiều rộng cửa thu (m)
T: Chiều rộng của lớp nước trên đường 
Tỷ số giữa lưu lượng bên của cửa thu và tổng lưu lượng của rãnh biên tính theo công thức: Qs/Q=1-(Qw/Q) =1-E0

Hiệu suất lưu lượng chảy đến cửa thu (Rf) là tỷ số giữa lưu lượng chảy vào cửa thu qua song chắn rác và lưu lượng chảy đến cửa thu: 
Rf = 1-0,925(V-V0)                                    
Trong đó
V: Vận tốc nước chảy trung bình trong rãnh biên (m/s)
V0: Vận tốc nước chảy trong rãnh biên, tại thời điểm nước chảy vào cửa thu. V0 phụ thuộc vào chiều dài cửa thu, loại song chắn rác và vận tốc nước chảy trong rãnh biên.

Các thông số kỹ thuật Vo và Rf  được xác định bằng thực nghiệm và có thể xác định theo biểu đồ đối với một số loại song chắn rác điển hình [4].

Hiệu suất thu lưu lượng bên (Rs) là tỷ số giữa lưu lượng bên chảy vào cửa thu và tổng lưu lượng bên Qs. Rs có thể được xác định theo theo công thức:
                            
Hiệu suất thu nước của cửa thu nước kiểu mặt đường (E) được tính theo công thức:
E=Rf E0 + Rs(1-E0)                                    

Như vậy, lưu lượng nước chảy vào cửa thu Qc được tính theo công thức: 
Qc = E.Q                 (4)                                                
Lưu lượng nước không chảy vào cửa thu nước mưa được tính theo công thức
Qb=Q – Qc                                                   
Trong đó:
Qb: Lưu lượng nước mưa chảy qua cửa thu (Bypass flow) (m3/s)

Chiều dài của lỗ mở để đảm bảo thu toàn bộ nước chảy trong rãnh biên(LT) được tính theo công thức: 
(m)
Trong đó: 
SL: Độ dốc dọc của đường(m/m)
SX: Độ dốc ngang của đường(m/m)
Q: Lưu lượng nước chảy trong rãnh biên (m3/s)
n: Hệ số Manning.
Hiệu suất thu nước của cửa thu nước kiểu” hàm ếch” (E) được tính theo công thức 

Trong đó: 
L: Chiều dài thực tế của cửa thu (m)

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Chọn loại kiểu thu nước mưa

Bằng thực nghiệm, các nhà khoa học đã nghiên cứu khả năng thu nước của các một số loại cửa thu điển hình (kiểu thu nước mặt đường-Grates và kiểu thu nước "hàm ếch”- Curb openings) với cùng điểu kiện biên [4]. 

Tại Việt Nam hiện nay, chiều dài của các cửa thu nước mưa thường khoảng từ 0,8m ÷ 1,0m [3], phù hợp với chiều dài hố ga của hệ thống thoát nước.  Theo kết quả nghiên cứu của U.S Department of Transportation, 2009 [4], khả năng thu nước của cửa thu nước kiểu "hàm ếch” là nhỏ nhất, độ dốc dọc của đường giao thông càng lớn thì lưu lượng thu được của cửa thu nước kiểu "hàm ếch” càng nhỏ. Chính vì vậy, kiểu thu nước "hàm ếch” không được ưu tiên lựa chọn, nhất là trên những đường gaio thông có độ dốc dọc lớn. Mặt khác, kiểu thu nước "hàm ếch” cũng ảnh hưởng đến mỹ quan đô thị và có thể gây nguy hiểm cho cộng đồng khi dòng chảy vào cửa thu lớn.

Kiểu thu nước mặt đường thường được ưu tiên lựa chọn khi thiết kế, tuy nhiên đối với nhiều trường hợp song chắn rác có kích thước lớn cũng ảnh hưởng đến mỹ quan đô thị. Ngoài ra, tình trạng nghẹt song chắn rác do rác thải gây ra ảnh hưởng rất lớn đến khả năng thu nước, cần phải có hệ số dự phòng khi thiết kế, cũng như phải đảm bảo công tác vệ sinh song chắn rác được thực hiện thường xuyên.

Kiểu thu nước hỗn hợp đang được các kỹ sư lựa chọn cho rất nhiều dự án, kiểu thu nước hỗn hợp có độ an toàn cao hơn kiểu thu nước mặt đường tại những khu vực có thể bị nghẹt do rác thải, tuy nhiên kiểu thu nước này có ảnh hưởng đến mỹ quan đô thị.

Thời gian gần đây tại TP Hồ Chí Minh, công ty thoát nước đô thị đã nghiên cứu chế tạo loại cửa thu nước hỗn hợp, kết hợp với ngăn mùi cho hố ga của hệ thống thoát nước. Cửa thu nước nước này đảm bảo khả năng thu nước, cũng như đáp ứng yêu cầu về mỹ quan đô thị.


Hình 3. Sơ đồ cửa thu nước kiểu hỗn hợp đang thí điểm áp dụng tại TP.HCM

3.2 Tính toán khoảng cách giữa các giếng thu nước mưa

Trước khi tính toán khoảng cách giữa các giếng thu nước mưa trên đường giao thông, người kỹ sư cần phải đề xuất, lựa chọn chiều rộng lớp nước trên đường (T) tối đa, cũng như chiều sâu lớp nước tối đa trong rãnh biên (Hình 1). Hiện nay chưa có quy định nào về chiều sâu lớp nước của dòng chảy tối đa cho phép trên rãnh biên, do đó chúng tôi chỉ có thể đề xuất phương án tính toán theo các nghiên cứu đã thực hiện. Trình tự tính toán khoảng cách giữa các giếng thu trên đường giao thông được để xuất như sau:

- Lựa chọn loại cửa thu nước mưa, chiều rộng lớp nước trên đường tối đa (Tmax);

- Lựa chọn tạm thời vị trí giếng thu nước mưa(vị trí cửa thu) trên đường giao thông cần thiết kế, tức là lựa chọn sơ bộ khoảng cách giữa các giếng thu;

- Xác định diện tích khu vực thoát nước trực tiếp của từng giếng thu nước mưa, bao gồm diện tích từ đường giao thông, vỉa hè, các hộ dân thoát trực tiếp ra vỉa hè, các hẻm kết nối chưa có cống thoát nước (nếu có) đổ về giếng thu, ghi kết quả vào cột (3) (Bảng 1);

- Căn cứ theo quy định hiện hành [2], tính toán lưu lượng nước mưa trong phạm vi phục vụ đổ về giếng thu, bao gồm lượng nước mưa từ khu vực thoát nước trực tiếp và lưu lượng từ giếng thu phía trước chuyển qua - lưu lượng bypass (nếu có);

- Tính toán lưu lượng cửa thu có thể thu gom;

- Tính toán lượng nước mưa cửa thu không thu được (lưu lượng bypass).

- Lưu lượng bypass tại giếng thu cuối cùng bằng 0 (hoặc nhỏ không đáng kể)

Để thuận tiện, ta có thể lập bảng tính toán bằng phần mềm Excel (Bảng 1)

Bảng 1. Bảng tính toán khoảng cách giữa các giếng thu nước mưa


Bảng 1. Bảng tính toán khoảng cách giữa các giếng thu nước mưa (tiếp theo)

Ghi chú:
Cột (3) đến cột (7): Tính toán lưu lượng nước mưa chảy trực tiếp vào giếng thu nước mưa, phù hợp với loại đô thị [2].
Cột (10): Giếng thu đầu tiên thì lưu lượng bypass = 0. Giếng tiếp theo nhập số liệu trong cột (18) của giếng phía trước.
Cột (11) = cột (7) + cột (10)
Cột (12) đến cột (14): Tính theo công thức (1) và (2), theo chiều rộng rãnh biên W. Nếu T tính toán > Tmax thì cần phải giảm khoảng cách giữa 2 giếng thu đã lựa chọn tạm thời.
Cột (17): Tính toán lưu lượng mà cửa thu có thể thu được (QC), dựa vào loại cửa thu đã chọn trong cột (16) và các công thức (4)
Cột (18) = (cột 11) – cột (17)
Cột (19): Ghi chú những đặc điểm của cửa thu, ví dụ chiều cao cửa thu h, tổng diện tích các lỗ của song chắn rác A

4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Hiện nay, do chưa có quy định cụ thể nên các kỹ sư gặp nhiều khó khăn khi thiết kế các giếng thu nước mưa, do đó đã xảy ra tình trạng nhiều giếng thu nước mưa bị quá tải khi có mưa lớn, góp phần vào tình trạng ngập úng tại các đô thị như hiện nay. Ở bài viết này chúng tôi đề xuất xây dựng một phương pháp luận, từ đó sẽ thiết lập phương pháp thiết kế giếng thu nước mưa để góp phần phát huy tối đa hiệu quả làm việc của  mạng lưới thoát nước mưa đô thị. 

Để có cơ sở cho công tác tính toán thiết kế, các cơ quan chức năng và các nhà khoa học, chuyên gia ngành nước nên nghiên cứu, xem xét và ban hành những quy định cụ thể về phương pháp tính toán khoảng cách giữa các giếng thu nước mưa, và cũng là cơ sở để các trường đại học và các cơ sở đào tạo nghiên cứu cập nhật chương trình đào tạo cho phù hợp. Ngoài ra, các công ty chế tạo các cửa thu nước mưa định hình cũng nên nghiên cứu, công bố các thông số kỹ thuật về khả năng thu nước cho từng loại cửa thu, tạo điều kiện cho các kỹ sư có thể thiết kế giếng thu nước mưa phù hợp với thực tế, phát huy hết hiệu quả của hệ thống thoát nước đô thị.
----------------------------------
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. QCVN 07:2016/BXD, Quy chuẩn hạ tầng quốc gia Các công trình hạ tầng kỹ thuật
2. TCVN 7957:2008, Thoát nước- Mạng lưới và công trình bên ngoài- Tiêu chuẩn thiết kế.
3. TCVN 10333-1:2014: Hố ga bê tông cốt thép thành mỏng đúc sẵn 
4. U.S Department of Transportation, Federal Highway Administration, September 2009 (FHWA-NHI-10-009), Urban Drainage Design Manual, Hydraulic Engineering Circular No.22, Third Edition.
NGUYỄN VĂN SỨNG
Đại học Tài nguyên và Môi trường TP.HCM

Bài viết cùng chuyên mục

Tạp chí CTN online
Báo Môi trường và đô thị
Quảng cáo trang con [vị trí 02]