BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ VĂN TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC
ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TIÊU NƯỚC VÀ QUY MÔ CÔNG
TRÌNH TIÊU TRÊN ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, 2017
i


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ VĂN TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC
ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TIÊU NƯỚC VÀ QUY MÔ CÔNG
TRÌNH TIÊU TRÊN ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ HÀ NỘI

Chuyên ngành : Quy hoạch quản lý tài nguyên nước
Mã số : 62-62-30-01


Thanh Lượng và GS. TS. Nguyễn Quang Kim, những người hướng dẫn
khoa học đã tận tình dìu dắt, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và
nghiên cứu.
Chân thành cảm ơn Bộ môn Cấp thoát nước, Khoa Kỹ thuật tài nguyên
nước, Phòng Đào tạo đại học và sau đại học, Trường Đại học Thuỷ lợi với
vai trò là cơ quan đào tạo đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả học tập và
nghiên cứu khoa học trong những năm tháng là nghiên cứu sinh của Nhà
trường.
Chân thành cảm ơn Phòng Quản lý xây dựng công trình, lãnh đạo Sở Nông
nghiệp và phát triển nông thôn Hà Nội đã tạo điều kiện và thời gian cho tác
giả đi học tập và làm luận án.
Xin cảm tạ tấm lòng những người thân yêu và gia đình đã động viên, giúp
đỡ
và gửi gắm nơi tôi.

Hà Nội, tháng 8 năm 2017
Tác giả luận án

Lê Văn Trường

ii


MỤC LỤC
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ........................................................................... v
Danh mục các bảng ...................................................................................................... vi
Danh mục các hình vẽ ................................................................................................ viii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 1
I. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu ...................................................................... 1
II. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................. 1

2.1. Xây dựng bài toán tối ưu hóa hệ thống tiêu thoát nước ...............................57
2.1.1. Khái quát về bài toán tối ưu hóa..................................................................57
2.1.2. Bài toán tối ưu hóa thông số cơ bản của hệ thống tiêu thoát nước .............62
2.2. Lựa chọn mô hình tính toán tiêu thoát nước .................................................66
3


2.2.1. Khái quát về chọn phương pháp và mô hình tính toán tiêu nước mặt ........66
2.2.2. Chọn phương pháp và mô hình tính toán tiêu thoát nước ...........................67
2.2.3. Mô tả mô hình SWMM ...............................................................................68
2.3. Mô hình hóa hệ thống tiêu thoát nước nghiên cứu .......................................76
2.3.1. Các loại đối tượng cần mô phỏng................................................................76
2.3.2. Các số liệu đầu vào cơ bản của mô hình .....................................................82
2.3.3. Sơ đồ hoá hệ thống tiêu thoát nước .............................................................87
2.3.4. Thiết lập mô hình hệ thống tiêu thoát nước trên SWMM ...........................89
2.3.5. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình ...............................................................93
2.4. Kết luận chương 2 ............................................................................................97
LỰA CHỌN GIẢI PHÁP TIÊU NƯỚC VÀ QUY MÔ CÔNG
TRÌNH TIÊU TRÊN ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ HÀ NỘI ........................................99
3.1. Dự kiến giải pháp tiêu thoát nước ở lưu vực nghiên cứu .............................99
3.1.1. Dự kiến giải pháp chung..............................................................................99
3.1.2. Bố trí các trạm bơm tiêu đầu mối ..............................................................101
3.1.3. Bố trí hệ thống hồ điều hòa .......................................................................104
3.1.4. Phân tích thủy lực......................................................................................112
3.1.5. Xác định quan hệ ràng buộc giữa quy mô trạm bơm và hồ điều hòa........122
3.1.6. Xác định các giá trị lưu lượng và diện tích hồ tối ưu................................127
3.2. Đề xuất giải pháp tiêu thoát nước và quy mô của các công trình tiêu chủ
yếu ở lưu vực nghiên cứu ......................................................................................135
3.2.1. Các trạm bơm ............................................................................................135
3.2.2. Các hồ điều hoà .........................................................................................139

H ầH
L
H ạH
T
L ệL
L
L ư
L
V
M ư
M
N
Q ự
Q
H
Q uQ
H u
1Q yQ
H u
1 y
2Q Q
H u
4 y
6Q Q
H u
7 y
2Q Q
H u
9S yS
W

B
ản
B
ản
B
ản
B
ản
B
ản
B
ản
B
ản
B
ản
B
ản
B
ản
B
ản
B
ản
B
ản
B
ản
B
ản

B
ản
B
ản
B
ản
B
ản
B
ản

4
5
6
6
7
7
7
7
7
8
9
9
1
32
62
28
59
18
48

vi


B
ản
B
ản
B
ản
B
ản
B
ản
B
ản
B
ản
B
26. ản
G
27. iá
C
áB
ản
B
ản
B
ản
B
ản

13
4
13
613
914
0
14
1
15
6
15
7
15
8
15
8
15
9
16
0

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hì 5
nh 1
Hì
nh 27
Hì

nh 71
Hì
nh 71
Hì
nh 86
Hì
nh 83
Hì
nh 85
Hì
nh 85
Hì
nh 87
Hì
nh 87
Hì
nh 8
Hì
nh 9
Hì
nh 91
Hì
nh 92
Hì
nh 4
Hì
nh 9
2.
Hì 94
nh

6
Hì
nh 12
6
Hì
nh 13
8
Hì
nh 13
1
Hì
nh 13
2
Hì
nh 14
3
Hì
nh 5
Hì
nh 14
3.
5
Hì 16
nh 16
0
Hì
nh 16
1
Hì
nh 16

nh
Hì 616
nh 6
PL3.19.
M 16
6
P 16
L 7
P 16
L 7
PL3.22.
M 16
7

ix


MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Với tổng diện tích tự nhiên 3.344,6 km2, dân số trên 6,5 triệu người, không chỉ là Thủ
đô có quy mô lớn thứ 17 trên thế giới mà còn là địa phương đứng đầu cả nước về diện
tích tự nhiên, đứng thứ hai về diện tích đô thị và thứ hai về dân số sau TP Hồ Chí
Minh. Hà Nội còn là một trung tâm chính trị, kinh tế và văn hoá lớn của cả nước.
Trong những năm gần đây cùng với TP Hồ Chí Minh, Hà Nội là một điểm rất nóng
của cả nước về tình trạng úng ngập. Hàng năm cứ vào mùa mưa, không chỉ khu vực
nội thành mà rất nhiều khu vực ngoại thành đều bị úng ngập với mức độ lớn mà điển
hình nhất là trận mưa úng xảy ra vào những ngày cuối tháng 10 đầu tháng 11 năm
2008 đã làm hầu hết các khu vực của TP Hà Nội và các vùng lân cận bị ngập sâu nhiều
ngày liền.
Úng ngập ở Hà Nội không chỉ có tác động tiêu cực đến mọi mặt của đời sống kinh tế xã hội mà còn ảnh hưởng xấu đến hình ảnh của một thủ đô đang trong quá trình phát

IV. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
1. Nội dung nghiên cứu
Luận án sẽ đi sâu nghiên cứu cơ sở khoa học các vấn đề chính sau đây:
1) Đánh giá các nghiên cứu về thoát nước đô thị TP Hà Nội.
2) Xây dựng bài toán tối ưu hóa các thông số kỹ thuật cơ bản của các công trình tiêu
nước chủ yếu.
3) Mô hình hóa hệ thống tiêu thoát nước đô thị trung tâm của TP Hà Nội và tiến hành
các phân tích thủy lực - thủy văn của hệ thống đã được mô phỏng với các lời giải khác
nhau của toán tối ưu hóa được lập.
4) Đề xuất giải pháp kỹ thuật, cải tiến bố trí một số công trình tiêu nước chủ yếu.
2. Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện mục tiêu và nội dung nghiên cứu đề ra, đề tài sử dụng phương pháp
nghiên
cứu sau:
1) Phương pháp kế thừa
Tiếp thu và sử dụng có chọn lọc kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trong và
ngoài
nước về những vấn đề liên quan đến đề tài vào trường hợp cụ thể của TP Hà Nội.
2) Phương pháp điều tra thu thập và phân tích tổng hợp
Điều tra, thu thập, phân tích, đánh giá và tổng hợp các tài liệu để từ đó xây dựng cơ sở
dữ liệu phục vụ cho công việc nghiên cứu.
3) Phương pháp thống kê xác suất
Dùng để tính toán xác định các đặc trưng khí tượng, thủy văn thiết kế phục vụ nghiên
cứu đề tài.
4) Phương pháp phân tích hệ thống
Phân tích hệ thống tiêu thoát nước một cách đồng bộ nhất tới mức có thể. Hệ thống sẽ
bao gồm các phần tử thủy lực và mối liên hệ chúng, đồng thời xét mối liên hệ của hệ
thống với môi trường bên ngoài thông qua các điều kiện biên.
5) Phương pháp phân tích tối ưu
2

1.1. Giới thiệu vùng nghiên cứu
1.1.1. Vị trí địa lý
Hà Nội nằm về phía Tây Bắc của trung tâm vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng, có vị
trí từ 20°53' đến 21°23' vĩ độ Bắc và 105°44' đến 106°02' kinh độ Đông, tiếp giáp với
các tỉnh Thái Nguyên, Vĩnh Phúc ở phía Bắc, Hà Nam, Hòa Bình phía Nam, Bắc
Giang, Bắc Ninh và Hưng Yên ở phía Đông, Hòa Bình và Phú Thọ ở phía Tây. Sau khi
mở rộng địa giới hành chính vào tháng 8 năm 2008, thành phố có diện tích 3.325 km2,
nằm ở cả hai bên bờ sông Hồng, nhưng tập trung chủ yếu bên hữu ngạn.
Lưu vực của hệ thống tiêu thoát nước đô thị trung tâm TP Hà Nội ở nghiên cứu này
được giới hạn trong phạm vi đường VĐ4 và đê hữu sông Hồng (Hình 1.1. ) với các giới
hạn:
- Phía bắc, đông bắc và đông được giới hạn bởi đê hữu sông Hồng;
- Phía tây được giới hạn bởi đê tả sông Đáy;
- Phía nam và tây nam được giới hạn bởi đường Vành Đai 4.
Tổng diện tích lưu vực tiêu này là 37.050 ha, hoàn toàn nằm trong ranh giới đô thị
trung tâm TP Hà Nội phần phía nam sông Hồng theo Quy hoạch chung xây dựng Thủ
đô Hà Nội đến năm 2030 và tầm nhìn đến năm 2050 (Hình 1.2. ).
1.1.2. Điều kiện tự nhiên
a. Khí hậu, khí tượng
Khu vực nghiên cứu nằm giữa vùng đồng bằng Bắc Bộ nên mang các đặc điểm điển
hình của khí hậu vùng đồng bằng. Đó là kiểu khí hậu nhiệt đới gió mùa có mùa đông
lạnh, cuối mùa ẩm ướt với hiện tượng mưa phùn, mùa hạ nóng và nhiều mưa.
* Nhiệt độ
Khu vực Hà Nội có nhiệt độ trung bình năm khoảng 23oC÷24oC. Hàng năm có 3 tháng
(XII÷II) nhiệt độ trung bình giảm xuống dưới 20oC. Tháng I lạnh nhất, có nhiệt độ
trung bình khoảng 16oC. Mùa hè gồm 5 tháng (V÷IX) nhiệt độ trung bình trên 25oC.
Tháng VII nóng nhất, có nhiệt độ trung bình trên dưới 29oC.
Bảng 1.1. Nhiệt độ trung bình tháng tại Hà Nội và Hà Đông (0C)
Th I
án

1

Đô 7, 9, 2, 5, 7, 7, 7, 7, 6, 4, 0, 9,

5

Nguồn: [1]


Vị trí lưu vực nghiên cứu trên bản đồ TP Hà Nội
* Độ ẩm
Độ ẩm tương đối trung bình năm khoảng 83÷85%. Ba tháng mùa xuân là thời kỳ ẩm
ướt nhất, độ ẩm trung bình tháng đạt 88÷90% hoặc cao hơn. Các tháng cuối mùa thu và
đầu mùa đông là thời kỳ khô hanh nhất. Độ ẩm trung bình tháng có thể xuống dưới
80%. Độ ẩm cao nhất có ngày đạt tới 98% và thấp nhất có thể xuống tới 64%.
Bảng 1.2. Độ ẩm tương đối trung bình tháng tại Hà Nội và Hà Đông (%)
T I I II
Hà h 8 I8 I8
Nộ
Hà 27 58 88

I V V
V
8 8 I8
88 48 74

V V I X
II
8 II8 X
8 8

I 57
I
Hàh 78 62
Nộ
Hà ,7
64 ,4
56 ,4
68

I V V V
V 10 99
I 99
II
66
,8
78 1,
6 ,4
63 ,9
91

V I X
III 81
X 96
84
,8
79 ,5
79 ,6
72

X X N

74
8

1
ng2
12
22
1

Tầ
3 5 7n
ng3 ng3 ng4
33 73 14
33 73 14
3 8 2

Nguồn: [1]

b. Thuỷ văn, sông ngòi
* Sông Hồng
Sông Hồng có tổng diện tích lưu vực 155.000 km² với phần lưu vực trong lãnh thổ Việt
Nam là 72.800 km². Sông dài 1.126 km, trong đó đoạn qua Hà Nội dài xấp xỉ 90 km.
Lưu lượng trung bình nhiều năm thời đoạn 1956−1985 tại Sơn Tây đạt khoảng 3.560
m³/s và Hà Nội 2.710 m³/s. Sông này một nơi nhận nước tiêu lớn của vùng.
Mùa kiệt dài 7 tháng (XI÷V), lưu lượng sông giảm nhiều và mực nước xuống thấp,
nhất là trong các tháng II, III, IV. Tại trạm Hà Nội mực nước thấp nhất xảy ra trước khi
có hồ Hòa Bình là 1,73 m (1956), lưu lượng thấp ngày 09/5/1960 chỉ có 350 m³/s. Gần
đây, mực nước có lúc thấp tới 0,10 m (22/02/2010), 0,24 m (25/02/2015) do sự hạn chế
phát điện, có thể bao gồm cả nguyên nhân về biến đổi khí hậu và khai thác cát ở đáy
sông.

11, 74
54
11
12, 11, 11, 54
11,
21 83 60 30

Nguồn: [1]

Bảng 1.6. Các mực nước lớn nhất Sông Hồng tại Liên Mạc (m)
T
Hầ
H
H
H

1%
14
31
31
2

1%
13
31
21
2

1
10

21
21
2

1
10
31
21
1
2

2
10
21
21
21
1

Nguồn: [1]

Bảng 1.8. Các mực nước lớn nhất Sông Hồng tại Yên Sở (m)
Tầ 1 5
H n 1% %
1
ma
21 21
H
1ng
H
11 11

%
1
21
1
1
1

5
%
1
1
1
1
0

1
10
1
1
1
0

2
10
01
10
10
0

Nguồn: [1]

,7 ,7 ,6
ên 7, 7, ,6
Đ
ào
,7 ,6 ,5
V
ân 5, 4, 4,
L
ư
, , ,

2
06
,6
6,
,5
,3
,

Nguồn: [1]

* Sông Nhuệ
Sông Nhuệ dài 74 km nối sông Hồng (qua cống Liên Mạc), với sông Đáy (qua cống
Lương Cổ), là trục chính tưới tiêu kết hợp. Về mùa lũ, cống Lương Cổ luôn luôn mở
và chỉ đóng lại khi có phân lũ qua đập Đáy. Như vậy, trong quá trình tiêu úng, mực
nước sông Nhuệ và các sông nhánh trong hệ thống chịu ảnh hưởng trực tiếp của lũ
sông Đáy.


Nối sông Nhuệ với sông Đáy còn có các sông: Duy Tiên, Vân Đình, La Khê, Ngoại Độ

, 4, 4, 4,
, , ,

Nguồn: [1]

Bảng 1.12. Mực nước báo động (m) tại một số vị trí trên sông Nhuệ và sông Hồng
C
1. ấ
S-Li
-H
2. M
SĐ

III
1 1 1
09, 1 21
5, 06, 17,
4, 4, 4,
Nguồn: [1]

1.1.3. Tình hình và nguyên nhân úng ngập ở vùng nghiên cứu
a. Tình hình úng ngập trận mưa úng năm 2008
Do ảnh hưởng của đới gió đông kết hợp với không khí lạnh tăng cường từ ngày
30/10÷03/11/2008 đã xảy ra mưa đặc biệt lớn ở địa bàn TP Hà Nội và các vùng lân
cận. Lượng mưa 1 ngày lớn nhất rơi vào ngày 31/10, đạt từ 300÷550 mm ở thượng
lưu và trung lưu sông Nhuệ, từ 200÷250 mm tại hạ lưu sông Nhuệ. Lượng mưa ngày
31/10 đạt
530 mm tại trạm Hà Đông, 487 mm tại Vân Đình, 405 mm tại Láng. Lượng mưa 5
ngày lớn nhất đạt 835 mm tại Hà Đông, 577 mm tại Láng, 784,8 mm tại La Khê, 708,4
mm tại Vân Đình. Ở vùng LV sông Nhuệ lượng mưa 1 ngày max có tần suất từ

Nguyễn Huy Tưởng, Cự Lộc; Nguyễn Trãi (trước ĐH Khoa học xã hội và nhân văn và
trước số nhà
497); các đường Triều Khúc, Lê Trọng Tấn, Tô Hiệu, Văn Quán - Hà Đông... với mức
độ nước ngập từ 0,2 ÷ 0,5 m. Việc tiêu thoát nước ở khu Mỹ Đình - Mễ Trì gặp khó
khăn do mực nước sông Nhuệ tại thượng lưu ở cống Hà Đông có mức cao (lớn hơn
+5,0 m). Để khắc phục, thành phố cho mở cống Thanh Liệt để tiêu một phần nước
sông Nhuệ qua TB Yên Sở, nhằm tiêu rút nước cho khu vực Mỹ Đình.
Tại trận mưa này, hầu hết các điểm úng ngập trên không thuộc LV Yên Sở mà thuộc
vùng chưa có công trình tiêu đầu mối. Tuy nhiên, một số điểm thuộc lưu vực tiêu trạm
bơm Yên Sở vẫn còn bị ngập cục bộ mà nguyên nhân là do các tuyến cống đường phố
tại đó chưa hoàn chỉnh.
c. Nguyên nhân úng ngập
* Thủy thế bất lợi
Sông Hồng là sông lớn chảy qua địa phận, có khả năng nhận nước tiêu rất lớn; nhưng


mực nước ở sông này thường rất cao trong mùa mưa nên nước trong các lưu vực hai
bên


sông không tiêu tự chảy được mà phải dùng bơm. Các sông chính nội địa gồm có sông
Đáy và sông Nhuệ, trong đó sông Đáy cũng có khả năng nhận nước tiêu tương đối lớn,
nhưng khả năng tiêu tự chảy vào các sông này cũng hạn chế. Các sông nội địa khác
như sông Đăm, sông Cầu Ngà, sông Om... đều có độ dốc lòng sông nhỏ và độ uốn khúc
lớn, khả năng tiêu thoát nước kém.
Nước trong toàn bộ lưu vực đều đổ vào sông Nhuệ, rồi vào sông Đáy tại TP Phủ Lý
qua cống Lương Cổ, sau đó theo sông Đáy ra biển. Tuy nhiên, mực nước sông Nhuệ và
sông Đáy thường xuyên cao khi có mưa lớn; chỉ cần trận mưa khoảng 100 mm / ngày
là mực nước sông Nhuệ tại cống Hà Đông đã cao trên +4,5 m, làm cho nước ở các khu
vực không tiêu ra kịp thời được. Để tiêu hết lượng nước úng trong lưu vực cần một

là sự thiếu hụt công suất bơm đầu mối. Sau đây là sự mô tả sơ lược về tình hình úng
ngập ở một số trận mưa điển hình.