Luận văn thạc sĩ: Đánh giá khả năng tiêu nước của hệ thống thoát nước lưu vực sông Tô Lịch và giải pháp cải tạo

• Tác giả: Tran Huy Hoàng
• Người hướng dẫn: GS-TS. Dương Thanh Lượng
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ sở hạ tầng
• Đề tài: Đánh giá khả năng tiêu nước và giải pháp cải tạo hệ thống thoát nước sông Tô Lịch
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC VÀ NGHIÊN CỨU THOÁT NƯỚC CHO LƯU VỰC SÔNG TÔ LỊCH
• 1.1. Mô tả khu vực nghiên cứu
• 1.1.1. Điều kiện tự nhiên
• 1.1.2. Điều kiện kinh tế - xã hội
• 1.1.3. Định hướng phát triển chung không gian của đô thị
• 1.1.4. Định hướng quy hoạch san nền
• 1.1.5. Quá trình hình thành và phát triển hệ thống thoát nước đô thị Hà Nội. Tình trạng ngập úng ở Hà Nội
• 1.1.5.1. Các nguyên nhân gây ngập úng
• 1.1.6. Các nghiên cứu về giải pháp thoát nước cho khu vực nghiên cứu
• 1.1.6.1. Nghiên cứu thoát nước của JICA
• 1.1.6.2. Nghiên cứu thoát nước Hà Nội trong Quy hoạch 9371
• 1.1.6.3. Nghiên cứu trong Quy hoạch 1259
• 1.1.6.4. Nghiên cứu trong Quy hoạch 4673
• 1.1.6.5. Nghiên cứu trong Quy hoạch 725
• 1.1.6.6. Các nghiên cứu khác
• 1.1.7. So sánh thông số các công trình tiêu nước theo các nghiên cứu
• 1.2. Mục tiêu của nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT LẬP MÔ HÌNH TÍNH TOÁN TIÊU THOÁT NƯỚC CHO LƯU VỰC SÔNG TÔ LỊCH
• 2.1. Giới thiệu một số mô hình tính toán hệ thống thoát nước và lựa chọn
• 2.1.1. Giới thiệu về mô hình SWMM
• 2.1.2. Tính toán lượng mưa hiệu quả. Tính toán thấm, lượng thấm
• 2.2. Mô hình hồ chứa phi tuyến (SWMM)
• 2.3. Xây dựng mô hình SWMM cho lưu vực sông Tô Lịch
• 2.3.1. Khai báo các thông số mặc định và các tùy chọn (Project/Defaults)
• 2.3.2. Lập bản đồ hệ thống tiêu lưu vực nghiên cứu
• 2.3.2.1. Bản đồ diện tích và địa hình
• 2.3.2.2. Tài liệu sử dụng đất
• 2.3.3. Tài liệu đặc trưng của hệ thống thoát nước sông Tô Lịch. Vẽ sơ đồ lưu vực và mạng lưới công trình thoát nước
• 2.3.3.1. Khai báo các thông số của hệ thống
• 2.3.3.2. Khai báo đối tượng tiêu lưu vực (Subcatchments)
• 2.3.3.3. Khai báo thông số đo mưa (Rain Gages)
• 2.3.3.4. Khai báo đối tượng nút Junction (nút thu nước)
• 2.3.3.5. Khai báo đối tượng tuyến thoát nước (Conduit)
• 2.3.3.6. Khai báo đối tượng hồ điều hòa (Storage Unit)
• 2.3.3.7. Khai báo đối tượng cửa xả (Outfall)
• 2.3.3.8. Trạm bơm Yên Sở (Pump)
• 2.3.3.9. Các lệnh điều khiển (Controls)
• 2.3.3.10. Các số liệu của điều kiện biên khác
• 3. NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CẢI TẠO NÂNG CẤP MỘT SỐ CÔNG TRÌNH CHỦ YẾU CỦA HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC LƯU VỰC SÔNG TÔ LỊCH
• 3.1. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình với các trận mưa thực tế
• 3.1.1. Chạy mô hình sau khi xây dựng với trận mưa từ ngày 21 - 26/5/2012
• 3.1.2. Kiểm nghiệm mô hình với trận mưa từ ngày 17 - 23/8/2012
• 3.1.3. Kiểm nghiệm mô hình với trận mưa 24-30/5/2016
• 3.2. Chạy mô hình mô phỏng với trận mưa thiết kế
• 3.2.1. Số liệu mô hình sử dụng mô phỏng
• 3.2.2. Kết quả mô phỏng
• 3.3. Đánh giá hệ thống với trận mưa 72h max P=10%
• 3.4. Phương án đề xuất
• 3.4.1. Phương án 1: Tăng công suất trạm bơm Yên Sở thành Q=145 m3/s
• 3.4.2. Phương án 2: Cải tạo hồ điều hòa Yên Sở và Linh Đàm
• 3.4.2.1. Hồ điều hòa Yên Sở
• 3.4.2.2. Hồ Linh Đàm
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU

I. Đánh giá khả năng tiêu nước

Trong nghiên cứu này, việc đánh giá khả năng tiêu nước của hệ thống thoát nước sông Tô Lịch được thực hiện bằng cách phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả thoát nước. Hệ thống thoát nước hiện tại đã được xây dựng từ nhiều năm trước và thường xuyên phải đối mặt với tình trạng ngập úng do mưa lớn. Các yếu tố như điều kiện địa hình, khí hậu và tình trạng các công trình thoát nước hiện hữu có ảnh hưởng lớn đến khả năng tiêu nước. Đặc biệt, việc phân tích các trận mưa điển hình và lượng nước thải từ sinh hoạt là rất cần thiết để xác định các điểm nghẽn trong hệ thống. Theo số liệu khảo sát, lượng mưa lớn trong các tháng mùa hè thường gây ra tình trạng ngập úng nghiêm trọng tại nhiều khu vực. Việc đánh giá chính xác khả năng tiêu nước sẽ giúp xác định các giải pháp cải tạo hợp lý nhằm nâng cao hiệu quả của hệ thống thoát nước.

1.1 Tình trạng thoát nước hiện tại

Hệ thống thoát nước sông Tô Lịch hiện tại đang gặp nhiều vấn đề nghiêm trọng. Các công trình thoát nước đã được xây dựng từ lâu, không còn phù hợp với tình hình đô thị hóa nhanh chóng. Tình trạng thoát nước không đồng bộ và thiếu hiệu quả dẫn đến nhiều khu vực thường xuyên bị ngập. Theo các nghiên cứu trước đây, có nhiều nguyên nhân gây ra tình trạng này, bao gồm sự gia tăng lượng nước thải và mưa lớn. Đặc biệt, các trạm bơm như Yên Sở cần được cải tạo để nâng cao công suất hoạt động. Việc phân tích và đánh giá tình trạng hiện tại là cơ sở để đưa ra các giải pháp cải tạo hợp lý, nhằm đảm bảo an toàn cho đời sống dân cư và bảo vệ môi trường.

II. Giải pháp cải tạo hệ thống thoát nước

Để cải thiện khả năng thoát nước của hệ thống sông Tô Lịch, một số giải pháp cải tạo hệ thống thoát nước đã được đề xuất. Đầu tiên, cần nâng cấp các trạm bơm hiện có, đặc biệt là trạm bơm Yên Sở, nhằm tăng cường khả năng tiêu thoát nước trong các trận mưa lớn. Thứ hai, việc xây dựng thêm các hồ chứa điều hòa nước mưa là rất cần thiết để giảm áp lực cho hệ thống thoát nước. Ngoài ra, việc cải tạo các kênh rạch, mương thoát nước cũng cần được thực hiện để đảm bảo dòng chảy được thông suốt. Các giải pháp này không chỉ giúp giảm thiểu tình trạng ngập úng mà còn bảo vệ môi trường, giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước. Việc thực hiện các giải pháp này cần được phối hợp chặt chẽ giữa các cơ quan quản lý và người dân để đảm bảo hiệu quả lâu dài.

2.1 Nâng cấp trạm bơm

Nâng cấp trạm bơm Yên Sở là một trong những giải pháp ưu tiên hàng đầu. Trạm bơm này hiện tại có công suất 90 m3/s, nhưng trong các trận mưa lớn, công suất này không đủ để tiêu thoát lượng nước. Do đó, việc nâng cấp công suất lên 145 m3/s sẽ giúp cải thiện khả năng tiêu nước cho toàn bộ lưu vực. Ngoài ra, cần tiến hành bảo trì định kỳ và kiểm tra hệ thống để đảm bảo hoạt động ổn định. Việc nâng cấp không chỉ giúp giảm thiểu ngập úng mà còn tăng cường khả năng quản lý nước thải, bảo vệ môi trường sống cho người dân.

III. Phân tích và đánh giá thực tiễn

Phân tích và đánh giá thực tiễn là bước quan trọng trong việc xác định hiệu quả của các giải pháp cải tạo. Các số liệu từ các trận mưa thực tế và mô hình tính toán sẽ được sử dụng để đánh giá khả năng tiêu nước của hệ thống sau khi thực hiện các giải pháp đề xuất. Việc so sánh giữa tình trạng trước và sau cải tạo sẽ giúp xác định mức độ cải thiện, từ đó có thể điều chỉnh các giải pháp nếu cần thiết. Đặc biệt, việc theo dõi các chỉ số môi trường như chất lượng nước và tình trạng ngập úng sẽ là cơ sở để đánh giá hiệu quả lâu dài của hệ thống. Việc này không chỉ giúp nâng cao khả năng tiêu nước mà còn bảo vệ môi trường, đảm bảo an toàn cho cộng đồng.

3.1 Theo dõi và đánh giá

Theo dõi và đánh giá hiệu quả của các giải pháp cải tạo là rất cần thiết. Các chỉ số như mực nước, lưu lượng nước, và chất lượng nước sẽ được theo dõi định kỳ. Việc phân tích các số liệu này sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về hiệu quả của các giải pháp đã thực hiện. Ngoài ra, cần có sự tham gia của cộng đồng trong việc theo dõi tình trạng thoát nước tại địa phương, nhằm tạo ra sự phối hợp giữa các cơ quan chức năng và người dân. Điều này không chỉ giúp nâng cao nhận thức về quản lý nước mà còn đảm bảo rằng các giải pháp được thực hiện một cách đồng bộ và hiệu quả.

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống thoát nước đô thị tại Hà Nội, đặc biệt là lưu vực sông Tô Lịch, đang đối mặt với thách thức nghiêm trọng về ngập úng do sự phát triển nhanh chóng của đô thị và biến đổi khí hậu. Lưu vực sông Tô Lịch có diện tích khoảng 77,5 km², bao gồm các sông chính như Tô Lịch, Sét, Lừ, Kim Ngưu, cùng với các hồ điều hòa như Yên Sở, Linh Đàm. Hệ thống thoát nước hiện tại được xây dựng từ năm 1954 và đã được nâng cấp nhiều lần, tuy nhiên vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu tiêu thoát nước trong các trận mưa lớn với tần suất lặp lại 10%. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá khả năng tiêu thoát nước của hệ thống thoát nước lưu vực sông Tô Lịch, từ đó đề xuất các giải pháp cải tạo, nâng cấp các công trình chủ yếu nhằm giảm thiểu tình trạng ngập úng kéo dài tại Hà Nội. Nghiên cứu tập trung trong phạm vi lưu vực sông Tô Lịch, với dữ liệu thu thập từ các trận mưa thực tế trong giai đoạn 2012-2016 và các quy hoạch thoát nước đã được phê duyệt. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc quản lý, vận hành và phát triển hệ thống thoát nước đô thị, góp phần nâng cao chất lượng sống và phát triển bền vững cho thủ đô.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy văn, thủy lực trong quản lý hệ thống thoát nước đô thị. Hai mô hình chính được áp dụng là:

• Mô hình Storm Water Management Model (SWMM): Đây là mô hình động lực học dòng chảy mặt do nước mưa tạo nên, dùng để mô phỏng dòng chảy một thời đoạn hoặc nhiều thời đoạn, bao gồm cả lượng và chất lượng nước. SWMM cho phép mô phỏng các quá trình như lượng mưa biến đổi theo thời gian, thấm nước, dòng chảy trên mặt đất, vận chuyển nước qua hệ thống cống, kênh, hồ điều hòa và trạm bơm. Mô hình này được sử dụng rộng rãi trên thế giới và phù hợp với điều kiện đô thị Việt Nam.

• Lý thuyết thủy văn và thủy lực: Bao gồm các khái niệm về lưu vực tiêu thoát nước, hệ số tiêu nước, mưa thiết kế với tần suất lặp lại 5-10%, chế độ dòng chảy, và các yếu tố ảnh hưởng đến ngập úng như địa hình, độ dốc, và công suất các công trình thoát nước.

Các khái niệm chính trong nghiên cứu gồm: lưu vực tiêu thoát nước, hồ điều hòa, trạm bơm đầu mối, hệ số tiêu nước, và mưa thiết kế.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khí tượng thủy văn (nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa, bốc hơi, gió) thu thập từ các trạm khí tượng Láng và Vân Hồ, số liệu hiện trạng hệ thống thoát nước, các trận mưa thực tế trong các năm 2012, 2016 và các quy hoạch thoát nước của Hà Nội. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ lưu vực sông Tô Lịch với diện tích 77,5 km².

Phương pháp phân tích gồm:

• Điều tra, khảo sát thực địa: Thu thập số liệu hiện trạng hệ thống thoát nước, hồ điều hòa, trạm bơm, kênh mương.

• Phân tích thống kê: Xử lý số liệu khí tượng thủy văn, phân tích các trận mưa lớn với tần suất 5% và 10%.

• Mô hình toán thủy văn và thủy lực: Xây dựng và hiệu chỉnh mô hình SWMM cho lưu vực sông Tô Lịch, mô phỏng dòng chảy và khả năng tiêu thoát nước của hệ thống.

• So sánh và đánh giá: Đánh giá công suất các công trình chủ yếu như trạm bơm Yên Sở, hồ điều hòa Yên Sở, Linh Đàm, các trục tiêu chính (sông Tô Lịch, sông Lừ, sông Sét, sông Kim Ngưu) dựa trên kết quả mô phỏng và các quy hoạch hiện hành.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2012 đến 2016, bao gồm thu thập số liệu, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Khả năng tiêu thoát nước hiện tại của hệ thống chưa đáp ứng yêu cầu: Mô hình SWMM cho thấy công suất trạm bơm Yên Sở hiện tại là 90 m³/s chỉ đáp ứng được các trận mưa có tần suất lặp lại khoảng 1-2 năm. Trong khi đó, các trận mưa lớn với tần suất 10% (ví dụ trận mưa 72 giờ tại trạm Láng với lượng mưa 415,79 mm) vượt quá khả năng tiêu thoát, gây ngập úng kéo dài.

2. Hồ điều hòa Yên Sở và Linh Đàm có dung tích điều hòa khoảng 3,87 triệu m³ và 1,07 triệu m³, tuy nhiên việc vận hành chưa tối ưu: Dung tích hồ điều hòa tổng cộng khoảng 7,3 triệu m³, nhưng do ô nhiễm và lấn chiếm, khả năng điều hòa nước mưa giảm sút, ảnh hưởng đến hiệu quả thoát nước.

3. Các trục tiêu chính như sông Tô Lịch, sông Lừ, sông Sét, sông Kim Ngưu đã được cải tạo nhưng chưa đạt mặt cắt tối ưu: Mặt cắt các kênh dao động từ 20-45 m bề rộng, chiều sâu 2-4 m, công suất thoát nước từ 6 đến 30 m³/s tùy từng sông. So sánh với các quy hoạch cho thấy cần mở rộng hoặc cải tạo để tăng lưu lượng vận chuyển.

4. Phương án nâng công suất trạm bơm Yên Sở lên 145 m³/s và cải tạo hồ điều hòa được đề xuất: Mô phỏng cho thấy phương án này giúp giảm đáng kể thời gian và diện tích ngập úng trong các trận mưa lớn, nâng cao khả năng tiêu thoát nước cho lưu vực.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của tình trạng ngập úng là do địa hình thấp, độ dốc nhỏ, cùng với sự phát triển đô thị nhanh chóng làm tăng hệ số thấm và lượng nước chảy tràn. Các công trình thoát nước hiện hữu được xây dựng từ lâu, nhiều đoạn đã xuống cấp, không đồng bộ với quy hoạch phát triển mới. So sánh với các nghiên cứu trước đây và các quy hoạch như Quyết định 937/QĐ-TTg, 1259/QĐ-TTg, 4673/QĐ-UBND và 725/QĐ-TTg cho thấy sự không thống nhất về công suất trạm bơm và quy mô các công trình đầu mối.

Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ mực nước tại các nút chính, bảng so sánh công suất trạm bơm theo các quy hoạch, và bản đồ vị trí các điểm ngập ứng với các trận mưa thiết kế. Kết quả nghiên cứu khẳng định sự cần thiết của việc nâng cấp hệ thống thoát nước, đặc biệt là trạm bơm Yên Sở và hồ điều hòa, nhằm đảm bảo khả năng tiêu thoát nước cho Hà Nội trong tương lai.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Nâng công suất trạm bơm Yên Sở lên 145 m³/s: Động tác này nhằm tăng khả năng tiêu thoát nước trong các trận mưa lớn, giảm thiểu ngập úng kéo dài. Thời gian thực hiện dự kiến trong vòng 3-5 năm, do Sở Xây dựng và Công ty Thoát nước Hà Nội chủ trì.

2. Cải tạo và nâng cao hiệu quả vận hành hồ điều hòa Yên Sở và Linh Đàm: Bao gồm nạo vét, xử lý ô nhiễm, xây dựng hệ thống quản lý nước thông minh để điều tiết mực nước phù hợp. Mục tiêu nâng dung tích điều hòa lên tối đa trong 2-3 năm tới, do Sở Tài nguyên Môi trường phối hợp với các đơn vị liên quan thực hiện.

3. Mở rộng và cải tạo các trục tiêu chính (sông Tô Lịch, sông Lừ, sông Sét, sông Kim Ngưu): Tăng mặt cắt kênh, cải thiện dòng chảy, đảm bảo lưu lượng thiết kế theo quy hoạch. Thời gian thực hiện 5-7 năm, do UBND Thành phố và các Sở ngành liên quan phối hợp.

4. Xây dựng hệ thống thoát nước riêng biệt cho nước mưa và nước thải tại các khu vực đô thị mới: Giảm tải cho hệ thống chung, nâng cao hiệu quả thoát nước và bảo vệ môi trường. Triển khai đồng bộ trong các dự án phát triển đô thị mới, do Sở Quy hoạch Kiến trúc và các chủ đầu tư thực hiện.

5. Tăng cường công tác quản lý, vận hành và bảo trì hệ thống thoát nước: Đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, giảm thiểu sự cố và tắc nghẽn. Thực hiện thường xuyên, liên tục, do Công ty Thoát nước Hà Nội chịu trách nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý đô thị và quy hoạch: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để hoạch định chính sách, quy hoạch phát triển hệ thống thoát nước phù hợp với điều kiện thực tế và quy hoạch phát triển thành phố.

2. Các kỹ sư, chuyên gia thủy lợi và môi trường: Tài liệu chi tiết về mô hình SWMM, phương pháp mô phỏng và phân tích thủy văn, thủy lực giúp nâng cao năng lực thiết kế và vận hành hệ thống thoát nước.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật cơ sở hạ tầng, thủy lợi: Cung cấp dữ liệu thực tế, phương pháp nghiên cứu và kết quả phân tích có giá trị tham khảo cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

4. Các đơn vị thi công và đầu tư hạ tầng: Thông tin về hiện trạng, các giải pháp cải tạo, nâng cấp hệ thống thoát nước giúp lập kế hoạch đầu tư hiệu quả, giảm thiểu rủi ro và chi phí phát sinh.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần nâng công suất trạm bơm Yên Sở?
   Trạm bơm hiện tại với công suất 90 m³/s không đủ đáp ứng các trận mưa lớn có tần suất 10%, gây ngập úng kéo dài. Nâng công suất lên 145 m³/s giúp tăng khả năng tiêu thoát nước, giảm thiểu ngập úng.

2. Hồ điều hòa có vai trò gì trong hệ thống thoát nước?
   Hồ điều hòa giúp điều tiết lưu lượng nước mưa, giảm áp lực lên hệ thống cống và trạm bơm, đồng thời cải thiện chất lượng nước và cảnh quan đô thị.

3. Mô hình SWMM được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
   SWMM mô phỏng dòng chảy và chất lượng nước trong hệ thống thoát nước, giúp đánh giá hiệu quả các công trình hiện tại và dự báo tác động của các giải pháp cải tạo.

4. Nguyên nhân chính gây ngập úng tại Hà Nội là gì?
   Nguyên nhân bao gồm địa hình thấp, độ dốc nhỏ, phát triển đô thị nhanh làm tăng lượng nước chảy tràn, cùng với hệ thống thoát nước cũ kỹ, công suất không đủ.

5. Giải pháp nào hiệu quả nhất để giảm ngập úng?
   Kết hợp nâng cấp trạm bơm, cải tạo hồ điều hòa, mở rộng trục tiêu chính và xây dựng hệ thống thoát nước riêng biệt cho nước mưa và nước thải là giải pháp toàn diện và hiệu quả.

Kết luận

• Đã xây dựng và hiệu chỉnh thành công mô hình SWMM cho hệ thống thoát nước lưu vực sông Tô Lịch, mô phỏng chính xác các trận mưa thực tế.
• Khả năng tiêu thoát nước hiện tại chưa đáp ứng được các trận mưa lớn với tần suất 10%, đặc biệt là công suất trạm bơm Yên Sở còn hạn chế.
• Hồ điều hòa Yên Sở và Linh Đàm cần được cải tạo, nâng cao hiệu quả vận hành để tăng khả năng điều tiết nước mưa.
• Đề xuất nâng công suất trạm bơm Yên Sở lên 145 m³/s và cải tạo các trục tiêu chính nhằm giảm thiểu ngập úng kéo dài.
• Tiếp tục nghiên cứu, triển khai các giải pháp cải tạo đồng bộ, kết hợp quản lý vận hành hiệu quả để phát triển hệ thống thoát nước bền vững cho Hà Nội.

Next steps: Triển khai các đề xuất cải tạo trong vòng 3-7 năm, đồng thời cập nhật mô hình và dữ liệu để theo dõi hiệu quả thực tế.

Call to action: Các cơ quan quản lý và đơn vị liên quan cần phối hợp chặt chẽ để thực hiện các giải pháp nâng cấp hệ thống thoát nước, góp phần xây dựng đô thị Hà Nội phát triển bền vững, chống ngập úng hiệu quả.