Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống tiêu thoát nước tại trạm bơm Đại Ang, huyện Thanh Trì, Hà Nội, có nhiệm vụ chủ yếu tiêu thoát nước cho diện tích khoảng 530 ha đất canh tác và đất thổ cư. Trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng và biến đổi khí hậu ngày càng rõ nét, khả năng tiêu thoát nước của hệ thống này đang gặp nhiều thách thức nghiêm trọng. Theo thống kê, diện tích mặt nước nội thành Hà Nội đã giảm từ 2.100 ha năm 1995 xuống còn khoảng 1/3 hiện nay, trong khi đó diện tích đất đô thị và dân cư tăng nhanh, làm thu hẹp diện tích đất nông nghiệp và giảm khả năng trữ nước tự nhiên. Mưa lớn bất thường, phân bố không đều theo mùa và không gian, cùng với hiện trạng công trình tiêu thoát nước xuống cấp, đã dẫn đến tình trạng ngập úng nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến sản xuất nông nghiệp và đời sống người dân.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá khả năng tiêu thoát nước của hệ thống tiêu trạm bơm Đại Ang trong điều kiện biến đổi khí hậu và đô thị hóa, từ đó đề xuất các giải pháp cải tạo, nâng cấp phù hợp nhằm đáp ứng yêu cầu tiêu thoát nước hiện tại và tương lai. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống tiêu trạm bơm Đại Ang, huyện Thanh Trì, với dữ liệu thu thập từ năm 1986 đến 2018, đồng thời xây dựng các kịch bản biến đổi khí hậu đến năm 2030 theo kịch bản RCP4.5. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quy hoạch, quản lý và vận hành hệ thống tiêu thoát nước, góp phần giảm thiểu thiệt hại do ngập úng, nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp và cải thiện môi trường sống trong 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 nghiên cứu về tiêu thoát nước đô thị và nông thôn, biến đổi khí hậu và tác động của nó đến hệ thống thủy lợi, cùng với các khái niệm chính sau:

  • Khái niệm hệ số tiêu thoát nước (US-ha): Là chỉ số thể hiện khả năng tiêu thoát nước của hệ thống, được sử dụng để đánh giá năng lực tiêu thoát của trạm bơm và hệ thống kênh mương.
  • Mô hình thủy văn SWMM (Storm Water Management Model): Phần mềm mô phỏng dòng chảy và tiêu thoát nước mưa, được ứng dụng để mô phỏng hệ thống tiêu trạm bơm Đại Ang dưới các kịch bản biến đổi khí hậu và đô thị hóa.
  • Kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5: Kịch bản phát thải trung bình được sử dụng để dự báo các biến đổi về lượng mưa, nhiệt độ và các hiện tượng khí hậu cực đoan ảnh hưởng đến hệ thống tiêu thoát nước.
  • Khái niệm đô thị hóa: Quá trình mở rộng diện tích và tăng mật độ dân cư đô thị, ảnh hưởng đến sử dụng đất, làm tăng hệ số chảy tràn và giảm khả năng trữ nước tự nhiên.
  • Khái niệm hồ điều hòa: Công trình thủy lợi dùng để trữ nước, điều tiết dòng chảy nhằm giảm thiểu ngập úng và tăng hiệu quả tiêu thoát nước.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khí tượng thủy văn (lượng mưa, nhiệt độ, độ ẩm) từ trạm Hà Đông giai đoạn 1986-2005 và dữ liệu thực địa khảo sát hiện trạng hệ thống tiêu trạm bơm Đại Ang năm 2018. Dữ liệu quy hoạch sử dụng đất được lấy từ Quyết định số 49/2009/QĐ-UBND của UBND thành phố Hà Nội về quy hoạch huyện Thanh Trì đến năm 2030.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp:

  • Khảo sát thực địa: Đánh giá hiện trạng công trình, hệ thống kênh mương, máy bơm và các công trình tiêu thoát nước.
  • Phân tích thống kê: Xử lý số liệu khí tượng thủy văn, phân tích biến đổi lượng mưa theo các kịch bản biến đổi khí hậu.
  • Mô hình toán học: Ứng dụng phần mềm SWMM để mô phỏng dòng chảy và khả năng tiêu thoát nước của hệ thống dưới các kịch bản sử dụng đất và biến đổi khí hậu khác nhau.
  • Xây dựng kịch bản: Bao gồm 11 kịch bản kết hợp các mức độ biến đổi khí hậu (mưa thiết kế P=5% và 10%), các phương án sử dụng đất (hiện trạng, quy hoạch, đô thị hóa hoàn toàn) và mức độ trữ nước hồ điều hòa (50% quy hoạch).

Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ hệ thống tiêu trạm bơm Đại Ang và vùng lưu vực tiêu thoát nước khoảng 530 ha. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tiêu chí đại diện cho các loại hình sử dụng đất và hiện trạng công trình tiêu thoát nước. Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2018 đến 2019, bao gồm thu thập số liệu, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng hệ thống tiêu thoát nước xuống cấp nghiêm trọng: Máy bơm cũ, hiệu suất chỉ đạt khoảng 70% so với thiết kế, nhiều tổ máy bơm bị hỏng không hoạt động, đường ống xả bị rò rỉ, kênh tiêu chính và kênh nhánh bị bồi lắng, thu hẹp mặt cắt ngang, gây giảm lưu lượng dẫn nước. Ví dụ, chiều rộng lòng kênh hiện tại chỉ còn khoảng 2-3,2 m so với thiết kế ban đầu, nhiều đoạn bị lấn chiếm và tắc nghẽn.

  2. Tình trạng ngập úng nghiêm trọng và ngày càng gia tăng: Bình quân mỗi năm xã Đại Ang bị ngập úng khoảng 140 ha, trong đó có 39 ha ngập trắng, có năm ngập trên 200 ha với 80 ha ngập trắng. Nguyên nhân chính là do lưu lượng mưa lớn vượt quá tần suất thiết kế, hệ thống tiêu thoát nước không đáp ứng được nhu cầu, cùng với sự xuống cấp của công trình và quản lý chưa đồng bộ.

  3. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và đô thị hóa: Lượng mưa trung bình năm có xu hướng tăng từ 5-15% theo kịch bản RCP4.5, lượng mưa 5 ngày lớn nhất có thể tăng đến 30-70% so với giai đoạn cơ sở 1986-2005. Đô thị hóa làm tăng diện tích đất đô thị lên đến 330 ha, giảm diện tích đất nông nghiệp, làm tăng hệ số chảy tràn và giảm khả năng trữ nước tự nhiên. Mô phỏng SWMM cho thấy, dưới các kịch bản đô thị hóa và biến đổi khí hậu, lưu lượng dòng chảy tăng từ 10% đến 35%, gây áp lực lớn lên hệ thống tiêu thoát nước hiện tại.

  4. Hiệu quả của các giải pháp cải tạo và nâng cấp: Việc xây dựng hồ điều hòa với diện tích trữ nước đạt 50% quy hoạch có thể giảm lưu lượng đỉnh dòng chảy khoảng 20-25%, kết hợp với nâng cấp máy bơm và nạo vét kênh mương giúp tăng khả năng tiêu thoát nước lên 30-40%. Các giải pháp này được đánh giá khả thi về mặt kỹ thuật và kinh tế, có thể thực hiện trong vòng 5 năm tới.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng ngập úng là sự không đồng bộ giữa năng lực tiêu thoát nước của hệ thống và nhu cầu ngày càng tăng do biến đổi khí hậu và đô thị hóa. So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả mô phỏng và đánh giá tại Đại Ang tương đồng với xu hướng gia tăng lưu lượng dòng chảy và áp lực lên hệ thống tiêu thoát nước do biến đổi khí hậu. Ví dụ, nghiên cứu tại lưu vực miền Trung Canada cũng chỉ ra sự cần thiết nâng cấp hệ thống tiêu thoát nước để thích ứng với lượng mưa cực đoan tăng lên.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh lưu lượng dòng chảy dưới các kịch bản khác nhau, bảng thống kê mức độ ngập úng theo năm, và sơ đồ hiện trạng công trình tiêu thoát nước. Việc mô phỏng bằng SWMM cung cấp cơ sở định lượng cho các đề xuất cải tạo, nâng cấp, giúp các nhà quản lý và kỹ sư có cái nhìn tổng thể và chi tiết về hiệu quả các giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cấp và thay thế máy bơm: Thay thế các tổ máy bơm cũ, hỏng với công suất phù hợp, đảm bảo hiệu suất hoạt động đạt trên 90%. Mục tiêu tăng lưu lượng tiêu thoát nước lên ít nhất 30% so với hiện trạng. Thời gian thực hiện dự kiến trong 3 năm, do Công ty TNHH MTV Đầu tư Phát triển Thủy lợi Hà Nội chủ trì.

  2. Nạo vét và cải tạo hệ thống kênh mương: Tiến hành nạo vét các tuyến kênh chính và kênh nhánh, mở rộng mặt cắt ngang đạt thiết kế ban đầu, xử lý các điểm tắc nghẽn, lấn chiếm. Mục tiêu giảm thiểu tắc nghẽn, tăng khả năng dẫn nước lên 25%. Thời gian thực hiện trong 2 năm, phối hợp giữa UBND xã Đại Ang và các đơn vị thi công.

  3. Xây dựng và nâng cấp hồ điều hòa: Hoàn thiện hồ điều hòa với diện tích trữ nước đạt tối thiểu 50% quy hoạch, nhằm điều tiết dòng chảy, giảm áp lực cho hệ thống tiêu thoát nước trong mùa mưa. Mục tiêu giảm lưu lượng đỉnh dòng chảy khoảng 20%. Thời gian thực hiện trong 4-5 năm, do UBND huyện Thanh Trì và Sở Nông nghiệp & Phát triển Nông thôn Hà Nội phối hợp thực hiện.

  4. Cải thiện quản lý và vận hành hệ thống: Xây dựng quy trình vận hành đồng bộ giữa trạm bơm đầu mối và hệ thống kênh mương, tăng cường giám sát, bảo trì định kỳ, nâng cao năng lực cán bộ vận hành. Mục tiêu giảm thiểu sự cố và nâng cao hiệu quả tiêu thoát nước. Thời gian triển khai liên tục, do Công ty quản lý trạm bơm và chính quyền địa phương đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý thủy lợi và quy hoạch đô thị: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực tiễn để xây dựng chính sách, quy hoạch phát triển hệ thống tiêu thoát nước phù hợp với biến đổi khí hậu và đô thị hóa.

  2. Các kỹ sư và chuyên gia thủy lợi: Tham khảo mô hình mô phỏng SWMM, phương pháp xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu và đề xuất giải pháp kỹ thuật nâng cấp hệ thống tiêu thoát nước.

  3. Các nhà nghiên cứu về biến đổi khí hậu và quản lý tài nguyên nước: Cung cấp dữ liệu và phân tích tác động biến đổi khí hậu đến hệ thống tiêu thoát nước, làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về thích ứng và giảm thiểu rủi ro.

  4. Cơ quan quản lý địa phương và cộng đồng dân cư: Hiểu rõ tình trạng hiện tại, nguyên nhân ngập úng và các giải pháp cải tạo, từ đó phối hợp thực hiện và nâng cao nhận thức cộng đồng về bảo vệ môi trường và quản lý nước.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao hệ thống tiêu thoát nước trạm bơm Đại Ang bị xuống cấp nghiêm trọng?
    Hệ thống được xây dựng từ năm 1995, nhiều công trình đã hoạt động trên 20 năm, máy bơm cũ, hiệu suất giảm còn khoảng 70%, kênh mương bị bồi lắng, thu hẹp mặt cắt, cùng với việc thiếu kinh phí bảo trì thường xuyên dẫn đến xuống cấp nghiêm trọng.

  2. Biến đổi khí hậu ảnh hưởng như thế nào đến khả năng tiêu thoát nước?
    Lượng mưa cực đoan tăng từ 10% đến 70% theo các kịch bản biến đổi khí hậu làm tăng lưu lượng dòng chảy, gây áp lực lớn lên hệ thống tiêu thoát nước hiện tại, dễ dẫn đến ngập úng nếu không được nâng cấp.

  3. Đô thị hóa tác động ra sao đến hệ thống tiêu thoát nước?
    Đô thị hóa làm tăng diện tích đất không thấm nước, tăng hệ số chảy tràn, giảm diện tích đất nông nghiệp và khả năng trữ nước tự nhiên, từ đó làm tăng lưu lượng dòng chảy và nhu cầu tiêu thoát nước.

  4. Giải pháp nào hiệu quả nhất để giảm ngập úng tại vùng nghiên cứu?
    Kết hợp xây dựng hồ điều hòa để điều tiết dòng chảy, nâng cấp máy bơm, nạo vét kênh mương và cải thiện quản lý vận hành hệ thống là giải pháp toàn diện và hiệu quả nhất.

  5. Thời gian thực hiện các giải pháp cải tạo là bao lâu?
    Các giải pháp có thể được thực hiện trong vòng 2-5 năm tùy theo quy mô, trong đó nạo vét kênh mương và nâng cấp máy bơm có thể hoàn thành trong 2-3 năm, xây dựng hồ điều hòa trong 4-5 năm.

Kết luận

  • Hệ thống tiêu thoát nước trạm bơm Đại Ang hiện nay không đáp ứng được yêu cầu tiêu thoát nước do công trình xuống cấp, máy bơm hiệu suất thấp và kênh mương bị bồi lắng.
  • Biến đổi khí hậu và đô thị hóa làm tăng lưu lượng dòng chảy và nhu cầu tiêu thoát nước, gây áp lực lớn lên hệ thống hiện tại.
  • Mô hình SWMM cho thấy các kịch bản đô thị hóa và biến đổi khí hậu làm tăng lưu lượng dòng chảy từ 10% đến 35%, đòi hỏi nâng cấp hệ thống tiêu thoát nước.
  • Các giải pháp cải tạo, nâng cấp bao gồm thay thế máy bơm, nạo vét kênh mương, xây dựng hồ điều hòa và cải thiện quản lý vận hành được đánh giá khả thi và cần thiết.
  • Tiếp tục nghiên cứu, cập nhật dữ liệu biến đổi khí hậu và giám sát hiệu quả các giải pháp là bước tiếp theo quan trọng để đảm bảo hệ thống tiêu thoát nước hoạt động bền vững.

Quý độc giả và các nhà quản lý được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành hệ thống tiêu thoát nước, góp phần phát triển bền vững khu vực huyện Thanh Trì và các vùng lân cận.