Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Thủ Đức, một khu vực trọng điểm phía Đông Bắc của Thành phố Hồ Chí Minh, đang đối mặt với các vấn đề nghiêm trọng về ngập úng đô thị và ô nhiễm nước mặt. Với diện tích khoảng 48 km² và dân số khoảng 530.000 người, khu vực này có hệ thống thoát nước chưa hoàn chỉnh, dẫn đến nhiều điểm ngập cố định trong mùa mưa, ảnh hưởng tiêu cực đến đời sống và môi trường. Hiện nay, công suất xử lý nước thải tập trung của TP.HCM chỉ đáp ứng khoảng 10-20% nhu cầu, phần lớn nước thải còn lại được xả trực tiếp vào hệ thống sông, kênh rạch, gây ô nhiễm nghiêm trọng.

Luận văn tập trung đánh giá hiệu quả của giải pháp tự nhiên, cụ thể là mái nhà xanh (MNX), trong việc giảm thiểu lượng nước mưa chảy tràn và cải thiện chất lượng nước mặt tại khu vực nghiên cứu. Mục tiêu chính là mô phỏng sự lan truyền các chất ô nhiễm như BOD, N-NH3, N-NO3-, N-NO2- trong hệ thống thoát nước và kênh rạch của thành phố Thủ Đức dưới ba kịch bản: không mưa, có mưa và có mưa kèm ứng dụng mái nhà xanh. Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng F28 và kết hợp với các thí nghiệm phân tích chất lượng nước để xác định các hệ số phân hủy chất ô nhiễm.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào 12 phường thuộc thành phố Thủ Đức, với hệ thống kênh rạch chính gồm kênh Ba Bò, rạch Gò Dưa, rạch Dừa, rạch Thủ Đức và suối Cái. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất các giải pháp bền vững cho quản lý nước đô thị, giảm thiểu ngập úng và ô nhiễm nước mặt, góp phần nâng cao chất lượng sống và phát triển kinh tế xã hội bền vững cho khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình quản lý nước đô thị bền vững, trong đó giải pháp tự nhiên (Nature-Based Solutions - NBS) được xem là phương pháp hiệu quả để giảm áp lực lên hệ thống thoát nước truyền thống. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết quản lý nước đô thị bền vững: Nhấn mạnh việc tích hợp các giải pháp tự nhiên như đất ngập nước và mái nhà xanh để điều hòa dòng chảy, giảm thiểu ngập úng và cải thiện chất lượng nước mặt. Mô hình quản lý này khác biệt với mô hình truyền thống khi tập trung vào không gian mở và cơ sở hạ tầng xanh.

  2. Mô hình vận tải và phân hủy chất ô nhiễm trong hệ thống thủy lực: Sử dụng phương trình Saint-Venant cho dòng chảy 1D và 2D, kết hợp với phương trình vận tải chất ô nhiễm để mô phỏng sự lan truyền và phân hủy các chất như BOD, N-NH3, N-NO3-, N-NO2- trong hệ thống thoát nước và kênh rạch.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • BOD (Nhu cầu oxy sinh hóa): Chỉ số đánh giá mức độ ô nhiễm hữu cơ trong nước.
  • Mái nhà xanh (MNX): Hệ thống mái nhà được phủ thực vật nhằm giữ lại nước mưa và xử lý một phần nước thải sinh hoạt.
  • Hệ số phân hủy chất ô nhiễm (k1, β1, β2, β3): Các hệ số xác định tốc độ phân hủy hoặc chuyển hóa các chất ô nhiễm trong môi trường nước.
  • Phần mềm mô phỏng F28: Công cụ mô hình thủy lực và vận tải chất ô nhiễm, sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn để giải các phương trình vi phân đạo hàm riêng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa thu thập số liệu thực tế, thí nghiệm phân tích chất lượng nước và mô hình hóa mô phỏng.

  • Nguồn dữ liệu: Bao gồm dữ liệu lượng mưa, mực nước thủy văn, mực nước triều, bản đồ độ cao, hệ thống thoát nước, lưu lượng xả thải nước thải sinh hoạt và chất lượng nước thải. Các số liệu được thu thập từ Trạm khí tượng miền Nam, Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, Bộ Tài nguyên và Môi trường và Công ty thoát nước đô thị.

  • Phương pháp thí nghiệm: Lấy mẫu nước thải sinh hoạt tại bể điều hòa chung cư Kingdom 101, phân tích liên tục trong 20 ngày để xác định nồng độ BOD, N-NH4+, N-NO3-, N-NO2- và tổng Nitơ Kjeldahl (TKN). Các phương pháp phân tích bao gồm Respirometry, Kjeldahl Distillation và Spectrophotometry.

  • Phương pháp mô hình hóa: Thiết lập mô hình thủy lực 1D cho dòng chảy trong sông, cống thoát nước và đường phố; mô hình 2D cho các vùng đất trống và thảm thực vật; xây dựng lưu vực thoát nước. Mô hình F28 được chạy theo ba kịch bản: không mưa, có mưa và có mưa kèm ứng dụng mái nhà xanh. Cỡ mẫu dữ liệu đầu vào được lựa chọn dựa trên số liệu thực tế năm 2020, với giả định lưu lượng xả thải theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 13606:2023.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập và phân tích dữ liệu trong năm 2022, thiết lập và chạy mô hình trong năm 2023, hoàn thành luận văn tháng 01 năm 2024.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hệ số phân hủy các chất ô nhiễm: Kết quả thí nghiệm xác định các hệ số phân hủy gồm k1 (BOD) = 0.0005 ngày⁻¹, β1 (oxy hóa amoni) ≈ 0.0326 ngày⁻¹, β2 (oxy hóa nitrit) và β3 (thủy phân nitơ hữu cơ) có giá trị phù hợp với các nghiên cứu khu vực châu Á. Các hệ số này phản ánh tốc độ phân hủy sinh học trong điều kiện môi trường nước thải sinh hoạt tại TP.HCM.

  2. Hiệu quả giảm ô nhiễm của mái nhà xanh: Mô phỏng tại các điểm như rạch Gò Dưa, rạch Nhỏ, suối Cái cho thấy vào lúc 18 giờ ngày có mưa, nồng độ các chất ô nhiễm giảm đáng kể khi ứng dụng mái nhà xanh: BOD5 giảm xuống 84 mg/L (giảm 49%), N-NH3 còn 2.46 mg/L (giảm 89%), N-NO3- còn 0.01 mg/L (giảm 80%), N-NO2- còn 0.002 mg/L (giảm 96%).

  3. Giảm thiểu ngập úng: Mái nhà xanh giúp giảm lượng nước mưa chảy tràn, từ đó giảm áp lực lên hệ thống thoát nước và hạn chế ngập úng tại các điểm ngập cố định như đường Kha Vạn Cân, tỉnh lộ 43, đường Gò Dưa.

  4. So sánh các kịch bản mô phỏng: Kịch bản có mưa và mái nhà xanh cho kết quả chất lượng nước mặt tốt hơn rõ rệt so với kịch bản chỉ có mưa hoặc không mưa, thể hiện qua biểu đồ nồng độ các chất ô nhiễm giảm dần theo thứ tự kịch bản 1 (không mưa) < kịch bản 3 (mưa + MNX) < kịch bản 2 (mưa).

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả giảm ô nhiễm và ngập úng khi ứng dụng mái nhà xanh là khả năng giữ lại một phần lớn lượng nước mưa trên mái, giảm lượng nước chảy tràn vào hệ thống thoát nước. Thực vật và lớp giá thể trên mái nhà xanh còn giúp hấp thụ và phân hủy một phần các chất ô nhiễm sinh hoạt, làm giảm tải lượng ô nhiễm lan truyền vào kênh rạch.

So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả hệ số phân hủy và hiệu quả xử lý của mái nhà xanh tại TP.HCM tương đồng hoặc vượt trội do điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa, nhiệt độ cao thúc đẩy quá trình sinh học. Kết quả này khẳng định tính khả thi và hiệu quả của giải pháp tự nhiên trong điều kiện đô thị Việt Nam.

Việc mô phỏng bằng phần mềm F28 cho phép trực quan hóa quá trình lan truyền chất ô nhiễm và tác động của giải pháp mái nhà xanh, hỗ trợ đánh giá chính sách quản lý nước đô thị. Biểu đồ và bảng số liệu mô tả sự giảm nồng độ các chất ô nhiễm theo thời gian và không gian mô phỏng là công cụ hữu ích cho các nhà quản lý và chuyên gia môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai rộng rãi mái nhà xanh trong đô thị: Khuyến khích các chủ đầu tư và chính quyền địa phương áp dụng mái nhà xanh tại các tòa nhà dân cư, thương mại và công cộng nhằm giảm thiểu ngập úng và ô nhiễm nước mặt. Mục tiêu đạt tỷ lệ phủ mái nhà xanh tối thiểu 30% diện tích mái trong vòng 5 năm.

  2. Xây dựng chính sách hỗ trợ và ưu đãi: Ban hành các chính sách giảm phí nước mưa, hỗ trợ tài chính hoặc hoàn trả chi phí đầu tư mái nhà xanh cho các chủ sở hữu nhằm thúc đẩy áp dụng giải pháp này. Thời gian thực hiện trong 2 năm tới.

  3. Nâng cấp hệ thống thoát nước kết hợp giải pháp tự nhiên: Kết hợp cải tạo hệ thống thoát nước hiện hữu với việc tích hợp các giải pháp tự nhiên như mái nhà xanh và đất ngập nước nhân tạo để tăng hiệu quả quản lý nước đô thị. Thực hiện theo lộ trình 5-10 năm.

  4. Tăng cường nghiên cứu và giám sát chất lượng nước: Thiết lập hệ thống quan trắc liên tục để đánh giá hiệu quả các giải pháp tự nhiên, cập nhật dữ liệu và điều chỉnh mô hình mô phỏng phù hợp với thực tế. Thực hiện thường xuyên hàng năm.

  5. Tuyên truyền và nâng cao nhận thức cộng đồng: Tổ chức các chương trình đào tạo, hội thảo và truyền thông nhằm nâng cao nhận thức về lợi ích của mái nhà xanh và các giải pháp tự nhiên trong quản lý nước đô thị. Thời gian triển khai liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Chính quyền địa phương và cơ quan quản lý môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy hoạch và kế hoạch phát triển đô thị bền vững, giảm thiểu ngập úng và ô nhiễm nước mặt.

  2. Các nhà đầu tư và chủ đầu tư bất động sản: Áp dụng giải pháp mái nhà xanh trong thiết kế và xây dựng công trình nhằm nâng cao giá trị tài sản và đáp ứng các tiêu chuẩn xanh, bền vững.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành quản lý tài nguyên và môi trường: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình mô phỏng và kết quả thực nghiệm để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về giải pháp tự nhiên trong quản lý nước đô thị.

  4. Cộng đồng dân cư và tổ chức xã hội: Nắm bắt thông tin về lợi ích của mái nhà xanh và các giải pháp tự nhiên để tham gia tích cực vào các chương trình bảo vệ môi trường và phát triển đô thị xanh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mái nhà xanh có thể giảm bao nhiêu phần trăm lượng nước mưa chảy tràn?
    Nghiên cứu cho thấy mái nhà xanh có thể giữ lại trung bình khoảng 65-77% lượng nước mưa, giúp giảm áp lực lên hệ thống thoát nước và hạn chế ngập úng.

  2. Phần mềm F28 mô phỏng như thế nào về chất lượng nước mặt?
    F28 sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn để giải các phương trình thủy lực và vận tải chất ô nhiễm, mô phỏng dòng chảy 1D và 2D, từ đó dự đoán sự lan truyền và phân hủy các chất ô nhiễm trong hệ thống thoát nước và kênh rạch.

  3. Các hệ số phân hủy chất ô nhiễm được xác định dựa trên dữ liệu nào?
    Các hệ số phân hủy được xác định thông qua thí nghiệm phân tích mẫu nước thải sinh hoạt trong 20 ngày, đo nồng độ BOD, N-NH4+, N-NO3-, N-NO2- và tổng Nitơ Kjeldahl.

  4. Giải pháp mái nhà xanh có phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam không?
    Kết quả nghiên cứu cho thấy mái nhà xanh rất phù hợp với khí hậu nhiệt đới gió mùa của Việt Nam, với nhiệt độ cao thúc đẩy quá trình sinh học phân hủy chất ô nhiễm và khả năng giữ nước mưa hiệu quả.

  5. Làm thế nào để khuyến khích áp dụng mái nhà xanh trong đô thị?
    Cần có chính sách hỗ trợ tài chính, ưu đãi thuế, giảm phí dịch vụ nước mưa và tăng cường tuyên truyền nâng cao nhận thức cộng đồng về lợi ích của mái nhà xanh.

Kết luận

  • Mái nhà xanh là giải pháp tự nhiên hiệu quả trong việc giảm thiểu lượng nước mưa chảy tràn và cải thiện chất lượng nước mặt tại thành phố Thủ Đức.
  • Các hệ số phân hủy chất ô nhiễm được xác định phù hợp với điều kiện thực tế, hỗ trợ chính xác cho mô hình mô phỏng.
  • Mô hình F28 cho phép đánh giá trực quan và chính xác hiệu quả của giải pháp mái nhà xanh trong quản lý nước đô thị.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để đề xuất chính sách và kế hoạch phát triển đô thị bền vững.
  • Đề xuất triển khai rộng rãi mái nhà xanh, kết hợp nâng cấp hệ thống thoát nước và tăng cường giám sát chất lượng nước trong vòng 5 năm tới.

Hành động tiếp theo: Các cơ quan quản lý và nhà đầu tư cần phối hợp triển khai các giải pháp mái nhà xanh, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng các giải pháp tự nhiên khác nhằm nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên nước và bảo vệ môi trường đô thị.