Luận Văn Thạc Sĩ: Đánh Giá Mô Phỏng Giải Pháp Tự Nhiên Đến Chất Lượng Nước Mặt

Luận văn thạc sĩ môi trường nghiên cứu quản lý tài nguyên và môi trường đánh giá kết quả mô phỏng ứng dụng giải pháp tự nhiên đến chất, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân,

• Tác giả: Thương Quốc Thịnh
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Phước Dân
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Quản lý tài nguyên và môi trường
• Đề tài: Đánh Giá Kết Quả Mô Phỏng Ứng Dụng Giải Pháp Tự Nhiên Đến Chất Lượng Nước Mặt
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC VIẾT TẮT
• DANH SÁCH HÌNH ẢNH
• DANH SÁCH BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục đích nghiên cứu
• 1.3. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Nội dung nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Khu vực nghiên cứu
• 2.1.1. Đặc điểm tự nhiên
• 2.1.2. Hiện trạng ngập úng đô thị và ô nhiễm nước mặt
• 2.2. Các giải pháp tự nhiên
• 2.2.1. Đất ngập nước
• 2.2.2. Thu gom nước mưa
• 2.2.3. Lựa chọn giải pháp tự nhiên
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Phương pháp mô hình – Phần mềm F28
• 3.1.1. Khung nghiên cứu và dữ liệu đầu vào
• 3.1.2. Thiết lập mô hình F28
• 3.2. Phương pháp thí nghiệm
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 4.1. Xác định hệ số chuyển hóa hoặc phân hủy của các chất ô nhiễm
• 4.1.1. Tốc độ phân hủy BOD (k1)
• 4.1.2. Tốc độ Oxy hoá của Ni-tơ amonia (1)
• 4.1.3. Tốc độ Oxy hoá của Ni-tơ nitrite (2)
• 4.1.4. Tốc độ thủy phân của Ni-tơ hữu cơ (3)
• 4.2. Mô phỏng lan truyền chất ô nhiễm không ứng dụng giải pháp mái nhà xanh
• 4.2.1. Kịch bản 1: Kết quả lan truyền chất ô nhiễm khi không có mưa
• 4.2.2. Kịch bản 2: Kết quả lan truyền chất ô nhiễm tại thời điểm có mưa
• 4.3. Mô phỏng lan truyền chất ô nhiễm ứng dụng giải pháp tự nhiên (kịch bản 3)
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về giải pháp tự nhiên

Giải pháp tự nhiên (GPTN) đang được xem là một trong những phương pháp hiệu quả để cải thiện chất lượng nước mặt trong bối cảnh ô nhiễm gia tăng. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, việc áp dụng các giải pháp này không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Đặc biệt, mái nhà xanh là một trong những GPTN được đánh giá cao, giúp giảm thiểu lượng nước mưa chảy tràn và xử lý một phần nước thải sinh hoạt. Theo một nghiên cứu gần đây, việc ứng dụng mái nhà xanh có thể giảm lượng nước mưa chảy tràn lên đến 50%, điều này cho thấy tính khả thi và hiệu quả của giải pháp này trong việc quản lý nước đô thị.

1.1. Tác động của ô nhiễm nước

Ô nhiễm nước mặt là một trong những vấn đề nghiêm trọng tại các đô thị lớn, đặc biệt là Thành phố Hồ Chí Minh. Nước thải sinh hoạt và nước từ hệ thống thoát nước thường xuyên được xả thải ra môi trường mà không qua xử lý, dẫn đến tình trạng ô nhiễm trầm trọng. Các chất ô nhiễm như BOD, N-NH3, N-NO3- và N-NO2- không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng nước mà còn tác động xấu đến sức khỏe cộng đồng. Do đó, việc áp dụng các giải pháp tự nhiên như mái nhà xanh là cần thiết để giảm thiểu ô nhiễm và cải thiện chất lượng nước.

II. Mô phỏng và đánh giá hiệu quả

Mô phỏng là công cụ quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả của các giải pháp tự nhiên đối với chất lượng nước. Luận văn đã sử dụng phần mềm F28 để mô phỏng ba kịch bản: thời tiết không mưa, có mưa và có ứng dụng mái nhà xanh. Kết quả cho thấy rằng, khi áp dụng mái nhà xanh, nồng độ các chất ô nhiễm giảm đáng kể, cụ thể: BOD5 giảm 49%, N-NH3 giảm 89%, N-NO3- giảm 80% và N-NO2- giảm 96%. Những con số này chứng minh rằng việc áp dụng mái nhà xanh không chỉ có lợi cho chất lượng nước mà còn góp phần vào việc quản lý nước đô thị hiệu quả hơn.

2.1. Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng, trong kịch bản có mưa, ứng dụng mái nhà xanh giúp giảm thiểu lượng nước mưa chảy tràn, từ đó hạn chế việc lan truyền chất ô nhiễm đến chất lượng nước mặt. Cụ thể, tại các điểm như rạch Gò Dưa và suối Cái, nồng độ chất ô nhiễm đã giảm xuống mức an toàn. Điều này không chỉ cải thiện chất lượng nước mà còn góp phần bảo vệ môi trường sống của cộng đồng.

III. Ý nghĩa và ứng dụng thực tiễn

Việc áp dụng các giải pháp tự nhiên như mái nhà xanh không chỉ mang lại lợi ích về chất lượng nước mà còn có ý nghĩa lớn trong việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Các kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các chính sách quản lý tài nguyên nước và môi trường. Hơn nữa, việc này cũng góp phần nâng cao nhận thức cộng đồng về tầm quan trọng của việc bảo vệ môi trường và sử dụng tài nguyên nước một cách bền vững.

3.1. Đề xuất chính sách

Dựa trên kết quả mô phỏng và đánh giá, các cơ quan chức năng cần xem xét việc áp dụng rộng rãi các giải pháp tự nhiên trong quy hoạch đô thị. Các chính sách khuyến khích việc lắp đặt mái nhà xanh nên được triển khai, nhằm giảm thiểu ô nhiễm và cải thiện chất lượng nước mặt. Điều này không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn tạo ra một môi trường sống trong lành cho cộng đồng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Hồ Chí Minh là trung tâm kinh tế năng động với quy mô dân số vượt hơn 9,2 triệu người, tuy nhiên hệ thống hạ tầng thoát nước và xử lý chất thải hiện hữu đang đối mặt với tình trạng quá tải nghiêm trọng. Ba nhà máy xử lý nước thải tập trung đang vận hành gồm Bình Hưng Hòa, Bình Hưng và Tham Lương – Bến Cát chỉ đạt tổng công suất xấp xỉ 200.000 m3/ngày, đáp ứng vỏn vẹn từ 10% đến 20% tổng lượng nước thải sinh hoạt phát sinh mỗi ngày. Lượng nước thải chưa qua xử lý lên đến 80% còn lại bị xả trực tiếp ra hệ thống sông ngòi và kênh rạch, kết hợp với các đợt mưa lớn đạt lượng mưa hàng năm từ 1.200 mm đến 1.900 mm và mực nước triều cường trung bình đạt đỉnh +1,4 m tại trạm Phú An, làm xuất hiện tới 129 điểm ngập trên toàn địa bàn đô thị trong năm 2022.

Tại khu vực thành phố Thủ Đức, tình trạng bê tông hóa nhanh chóng cùng với mạng lưới cống thoát nước chưa được đầu tư đồng bộ đã gây ra các điểm ngập cục bộ kéo dài từ 30 phút đến 2 tiếng tại các tuyến giao thông huyết mạch như đường Kha Vạn Cân, Tỉnh lộ 43 và đường Gò Dưa. Hiện tượng ngập lụt đô thị không chỉ làm tê liệt giao thông mà còn cuốn theo các chất ô nhiễm từ cống rãnh tràn vào hệ thống nước mặt tự nhiên.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá định lượng tác động của giải pháp dựa vào tự nhiên thông qua ứng dụng mái nhà xanh đối với việc cải thiện chất lượng nước mặt và giảm thiểu áp lực tiêu thoát nước. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trên địa bàn 12 phường trung tâm của thành phố Thủ Đức bao gồm Bình Chiểu, Tam Bình, Tam Phú, Hiệp Bình Phước, Hiệp Bình Chánh, Linh Đông, Linh Tây, Linh Xuân, Linh Trung, Linh Chiểu, Bình Thọ, Trường Thọ với tổng diện tích 48 km2 và quy mô dân số 530.000 người. Mô hình tập trung vào lưu vực mạng lưới kênh rạch liên thông gồm kênh Ba Bò, rạch Gò Dưa, rạch Dừa, rạch Thủ Đức và suối Cái trong sự kiện mưa điển hình ngày 06/08/2020. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi xác lập cơ sở khoa học để giảm từ 49% đến 96% nồng độ các chất ô nhiễm chính, mở ra hướng đi bền vững cho quy hoạch hạ tầng xanh đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng dựa trên sự tích hợp của ba nền tảng lý thuyết và mô hình chuyên ngành:

• Lý thuyết quản lý nước đô thị bền vững (Sustainable Urban Drainage Systems - SUDS): Thay thế tư duy thoát nước xám truyền thống bằng việc tích hợp các cấu trúc phân tán giữ nước tại nguồn, mô phỏng chu trình thủy văn tự nhiên nhằm giảm thiểu lưu lượng đỉnh dòng chảy tràn từ 65% đến 77%.
• Khung tiếp cận giải pháp dựa vào tự nhiên (Nature-based Solutions - NbS theo IUCN): Ứng dụng hệ sinh thái thảm thực vật nhân tạo trên mái nhà nhằm đồng thời xử lý ô nhiễm hữu cơ, cách nhiệt công trình và điều hòa vi khí hậu đô thị.
• Mô hình động lực học chuyển hóa chất bậc một (First-order reaction kinetics): Mô tả quá trình suy giảm và chuyển hóa sinh hóa của các hợp chất hữu cơ và chu trình nitơ trong môi trường yếm khí/thiếu khí của hệ thống cống dẫn kín.

Các khái niệm chính được làm rõ bao gồm: Mái nhà xanh đa tầng (cấu tạo gồm lớp thực vật, giá thể, lớp lọc, màng thoát nước và chống thấm), Dòng chảy động học 1D/2D trong cống hở và bãi tràn, Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5), và Chuỗi quá trình oxy hóa amoniac (N-NH3), nitrit (N-NO2-) thành nitrat (N-NO3-).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng chuỗi dữ liệu đa nguồn gồm: Dữ liệu quan trắc lượng mưa, mực nước thủy văn và biên triều năm 2020 thu thập từ Trạm Khí tượng miền Nam; Bản đồ cao độ số DEM từ Bộ Tài nguyên và Môi trường; Số liệu mặt cắt sông rạch từ Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam; và Bản đồ mạng lưới cống thoát nước từ Công ty Thoát nước đô thị TP.HCM.

Về quy trình thực nghiệm, cỡ mẫu gồm 20 mẫu nước thải sinh hoạt được lấy tại bể điều hòa chung cư Kingdom 101 qua 2 đợt lấy mẫu độc lập vào ngày 04/04/2022 và 14/04/2022. Phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích được áp dụng nhằm thu thập nguồn nước thải sinh hoạt đậm đặc điển hình của cư dân đô thị. Mẫu được bảo quản trong bình tam giác 25 ml bọc giấy bạc đặt trên máy lắc trong phòng tối có nhiệt độ kiểm soát từ 20 đến 25 độ C, phân tích định kỳ liên tục trong 20 ngày theo Tiêu chuẩn Standard Methods (SMEWW) để xác định các hệ số phân hủy nội tại.

Lý do lựa chọn phương pháp mô hình hóa thông qua phần mềm F28 là khả năng ứng dụng phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method), giúp bảo toàn khối lượng tuyệt đối khi giải hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng Saint-Venant 1D cho mạng lưới cống - sông và phương trình nước nông 2D cho vùng ngập bề mặt. Quá trình nghiên cứu được triển khai toàn diện từ ngày 06/02/2023 đến ngày 10/12/2023 và hoàn thành bảo vệ chính thức vào tháng 01/2024.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm và chạy mô phỏng 3 kịch bản thủy lực - chất lượng nước trên phần mềm F28 đem lại các kết quả định lượng cụ thể:

• Xác định bộ thông số động học phân hủy nước thải: Tốc độ phân hủy BOD đạt k1 = 0,082 ngày-1 với hệ số tương quan R2 = 0,92; Tốc độ oxy hóa amoni đạt beta1 = 0,0326 ngày-1 với R2 trên 0,80; Tốc độ thủy phân nitơ hữu cơ beta3 đạt trên 0,08 ngày-1 và quá trình chuyển hóa nitrit sang nitrat diễn ra mạnh mẽ từ ngày thứ 7 của chu kỳ thí nghiệm.
• Tác động lan truyền ô nhiễm khi xuất hiện mưa (Kịch bản 1 so với Kịch bản 2): Trong điều kiện không mưa, chất ô nhiễm tập trung chủ yếu trong lòng cống. Khi xuất hiện trận mưa ngày 06/08/2020, lưu lượng nước tràn bề mặt tăng cao làm quá tải hệ thống thoát nước, đẩy nồng độ BOD và hợp chất nitơ lan tỏa trên diện rộng qua các hố ga ngập nước tại đường Tam Bình và Kha Vạn Cân.
• Hiệu quả vượt trội khi tích hợp mái nhà xanh (Kịch bản 3): Tại thời điểm mưa lớn và xả thải đỉnh điểm lúc 18 giờ trên các tuyến tiếp nhận gồm rạch Gò Dưa, rạch Nhỏ và suối Cái, giải pháp mái nhà xanh đã cắt giảm mạnh mẽ tải lượng ô nhiễm. Nồng độ BOD5 giảm xuống còn 84 mg/L (tương đương hiệu suất cắt giảm 49%), nồng độ N-NH3 giảm xuống 2,46 mg/L (giảm 89%), N-NO3- giảm xuống 0,01 mg/L (giảm 80%) và N-NO2- giảm xuống mức 0,002 mg/L (giảm 96%).

Thảo luận kết quả

Hiệu quả làm giảm ô nhiễm vượt bậc của kịch bản ứng dụng mái nhà xanh bắt nguồn từ cơ chế giữ ẩm và làm chậm dòng chảy của lớp giá thể và thảm thực vật. Bằng việc giữ lại từ 65% đến 77% lượng nước mưa ngay trên mái các công trình, mái nhà xanh giúp triệt tiêu dòng chảy tràn cực đại, ngăn ngừa hiện tượng quá tải thủy lực và nước thải trào ngược từ đáy cống lên mặt đường. Đồng thời, một phần nước thải sinh hoạt được tái sử dụng để tưới tiêu sẽ được hệ rễ cây hấp thụ và vi sinh vật đất khoáng hóa trước khi thoát vào kênh rạch.

So sánh với các công bố quốc tế, tốc độ phân hủy BOD k1 = 0,082 ngày-1 nằm trong khoảng tương thích với các nghiên cứu trên sông Nakdong Hàn Quốc (0,4 ngày-1 theo mô hình QUAL2E) và hồ Taihu Trung Quốc (0,477 ngày-1). Tốc độ oxy hóa nitrit trong nghiên cứu này cao hơn nghiên cứu của Dalsgaard năm 2005 (0,08 ngày-1) do nền nhiệt độ khí hậu TP.HCM dao động từ 25 đến 32 độ C tạo môi trường tối ưu thúc đẩy hoạt tính của vi khuẩn Nitrobacter và Nitrosomonas.

Để phục vụ công tác quy hoạch trực quan, toàn bộ kết quả lan truyền chất ô nhiễm và độ sâu ngập úng được trực quan hóa tối ưu thông qua bản đồ số GIS không gian 2D thể hiện gradien màu phân bố nồng độ chất, biểu đồ đường so sánh biến thiên nồng độ theo chuỗi thời gian 24 giờ và bảng ma trận đối chiếu hiệu suất xử lý giữa ba kịch bản vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

• Ban hành quy chuẩn xây dựng hạ tầng xanh bắt buộc: UBND Thành phố Hồ Chí Minh cùng Sở Xây dựng cần xây dựng bộ quy chuẩn bắt buộc lắp đặt mái nhà xanh đối với 100% công trình công cộng có diện tích sàn mái từ 250 m2 trở lên và các tòa nhà thương mại tư nhân từ 1.000 m2 trở lên. Mục tiêu giai đoạn 2025 - 2030 đạt diện tích phủ xanh tối thiểu 25% tổng diện tích mái nhà tại 12 phường thuộc thành phố Thủ Đức.
• Thực thi chính sách ưu đãi tài chính và thuế: Sở Tài chính phối hợp Cục Thuế triển khai chính sách hoàn thuế xây dựng từ 15% đến 20% tổng chi phí đầu tư mái nhà xanh ban đầu, đồng thời giảm trừ 20% phí bảo vệ môi trường đối với nước thải sinh hoạt cho các tòa nhà và khu dân cư tích hợp giải pháp trữ nước mưa tại chỗ. Lộ trình áp dụng thí điểm từ quý 1/2025 đến quý 4/2027.
• Ứng dụng bộ công cụ F28 vào hệ sinh thái quản lý đô thị thông minh: Sở Tài nguyên và Môi trường cùng Trung tâm Quản lý Hạ tầng Kỹ thuật cần số hóa toàn bộ mạng lưới 48 km2 lưu vực Thủ Đức trên phần mềm mô phỏng F28 nhằm thiết lập hệ thống cảnh báo sớm nguy cơ ngập và lan truyền ô nhiễm trước 6 giờ phục vụ công tác điều tiết cống ngăn triều và trạm bơm.
• Kết hợp đồng bộ hạ tầng xanh và hạ tầng xám: Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng Hạ tầng Đô thị cần lồng ghép việc mở rộng mái nhà xanh với nạo vét 5 trục thoát nước chính gồm kênh Ba Bò, rạch Gò Dưa, rạch Dừa, rạch Thủ Đức và suối Cái. Mục tiêu loại bỏ hoàn toàn 129 điểm ngập úng đô thị và nâng công suất thu gom nước thải sinh hoạt toàn thành phố lên mức 80% vào năm 2030 theo Quyết định 24/QĐ-TTg.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Cơ quan quản lý nhà nước và nhà hoạch định chính sách: Các chuyên viên thuộc Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Xây dựng, Sở Quy hoạch - Kiến trúc có thể sử dụng các số liệu thực chứng để xây dựng cơ chế pháp lý, định mức kỹ thuật và chỉ tiêu quy hoạch hạ tầng xanh cho các đô thị loại I và siêu đô thị chịu ảnh hưởng bởi biến đổi khí hậu.
• Kỹ sư môi trường và chuyên gia tư vấn hạ tầng đô thị: Cung cấp quy trình hoàn chỉnh về việc thiết lập mô hình số trị F28 tích hợp 1D/2D và bộ thông số động học phân hủy nước thải thực tế giúp nâng cao độ chính xác khi tính toán thiết kế mạng lưới thoát nước và các công trình kiểm soát ngập.
• Kiến trúc sư công trình xanh và chủ đầu tư bất động sản: Nắm bắt các nguyên lý cấu tạo, tải trọng và lợi ích kỹ thuật của mái nhà xanh đa lớp để hiện thực hóa vào các dự án căn hộ cao tầng, khu đô thị sinh thái nhằm đạt các chứng chỉ công trình xanh LOTUS hoặc LEED.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Làm nguồn tài liệu tham khảo học thuật giá trị cao về phương pháp thí nghiệm 20 ngày xác định hằng số suy giảm chất ô nhiễm và kỹ thuật mô hình hóa toán học các quá trình thủy lực - môi trường phức hợp.

Câu hỏi thường gặp

• Giải pháp mái nhà xanh có ưu điểm gì vượt trội so với xây dựng hồ điều hòa hay đất ngập nước nhân tạo trong đô thị? Trong bối cảnh đô thị hóa dày đặc với mật độ dân cư 530.000 người trên 48 km2 tại Thủ Đức, quỹ đất trống vô cùng khan hiếm và đắt đỏ. Mái nhà xanh tận dụng triệt để diện tích sàn mái sẵn có của các công trình mà không đòi hỏi đền bù giải phóng mặt bằng, đồng thời phân tán lưu lượng dòng chảy tràn ngay tại nguồn phát sinh với tỷ lệ lưu giữ đạt 77,2%.

• Tại sao phần mềm F28 lại được lựa chọn để mô phỏng lan truyền ô nhiễm thay vì các phần mềm quốc tế khác? Phần mềm F28 do các nhà khoa học Đại học Bách Khoa TP.HCM phát triển sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn, giải quyết chính xác bài toán tương tác phức tạp giữa dòng chảy 1D trong cống kín chịu áp và dòng tràn ngập 2D trên mặt đường. Mô hình được tinh chỉnh đặc thù phù hợp hoàn hảo với hệ thống thủy văn chịu ảnh hưởng bán nhật triều của miền Nam Việt Nam.

• Việc xác định các hệ số phân hủy k1, beta1, beta2 trong phòng thí nghiệm 20 ngày có ý nghĩa khoa học như thế nào? Thí nghiệm 20 ngày trên mẫu nước thải chung cư Kingdom 101 giúp thiết lập chính xác các hằng số động học phản ứng bậc một đặc trưng cho chất lượng nước thải sinh hoạt đô thị tại TP.HCM. Việc này loại bỏ sai số lớn khi phải sử dụng các giả định thông số lý thuyết từ các quốc gia ôn đới vốn có điều kiện nhiệt độ và hệ vi sinh hoàn toàn khác biệt.

• Mái nhà xanh có khả năng chịu tải và giảm ô nhiễm như thế nào trong các trận mưa rào nhiệt đới lớn? Thực nghiệm và mô phỏng chỉ ra rằng hệ thống thảm thực vật và giá thể dày từ 4 đến 12 inch của mái nhà xanh hoạt động như một bọt biển sinh học, hấp thụ nước mưa và lọc lắng chất bẩn. Tại thời điểm mưa đỉnh điểm lúc 18 giờ ngày 06/08/2020, mô hình chứng minh mái nhà xanh giúp cắt giảm tới 89% amoni và 49% BOD5 tại các điểm tiếp nhận.

• Nghiên cứu này có thể mở rộng ứng dụng cho các khu vực đô thị khác ngoài thành phố Thủ Đức hay không? Khung phương pháp luận, chuỗi phương trình truyền chất và quy trình thiết lập mô hình F28 hoàn toàn có thể nhân rộng cho các quận nội thành TP.HCM như Quận 7, Bình Thạnh hay các đô thị thuộc lưu vực sông Đồng Nai - Sài Gòn. Chỉ cần cập nhật bản đồ cao độ DEM, mạng lưới cống và dữ liệu khí tượng cục bộ là có thể vận hành mô phỏng hiệu quả.

Kết luận

• Nghiên cứu đã định lượng hóa thành công hiệu quả bảo vệ môi trường nước mặt của mái nhà xanh, giúp giảm tới 49% nồng độ BOD5, 89% Amoni, 80% Nitrat và 96% Nitrit tại các kênh rạch chính ở Thủ Đức.
• Xác lập bộ thông số động học phân hủy nội tại có độ tin cậy cao với R2 đạt từ 0,80 đến 0,92 qua chuỗi thí nghiệm 20 ngày liên tục trên mẫu nước thải sinh hoạt thực tế.
• Ứng dụng thành công phần mềm F28 để mô phỏng liên kết đồng thời thủy lực mạng sông 1D, cống thoát nước và dòng tràn ngập 2D trên quy mô lưu vực 48 km2.
• Cung cấp luận cứ khoa học then chốt chứng minh tính vượt trội và khả thi của giải pháp dựa vào tự nhiên so với các công trình thoát nước xám truyền thống vốn đắt đỏ và tốn quỹ đất.
• Thiết lập lộ trình khuyến nghị cụ thể từ giải pháp chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật đến ưu đãi thuế tài chính hướng tới mục tiêu phủ xanh đô thị bền vững giai đoạn 2025 - 2030.

Để tiếp tục phát triển đề tài, các bước tiếp theo cần tập trung nghiên cứu đo đạc thực nghiệm trên các mô hình mái nhà xanh pilot thực địa tại TP.HCM trong giai đoạn 2024 - 2025 nhằm hoàn thiện ngân hàng dữ liệu thực tế. Các nhà quản lý đô thị, doanh nghiệp phát triển bất động sản và các nhà khoa học hãy chủ động liên hệ và ứng dụng ngay các kết quả của luận văn vào thực tiễn quy hoạch công trình để cùng kiến tạo một đô thị xanh, sạch và thích ứng bền vững với biến đổi khí hậu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Lý do chọn đề tài. Mục đích nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu.

Nội dung nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Khu vực nghiên cứu.

Đặc diểm tự nhiên. Hiện trạng ngập úng đô thị và ô nhiễm nước mặt. Các giải pháp tự nhiên. Đất ngập nước.

Thu gom nước mưa. Lựa chọn giải pháp tự nhiên. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Phương pháp mô hình – Phần mềm F28.

Khung nghiên cứu và dữ liệu đầu vào. Thiết lập mô hình F28. Phương pháp thí nghiệm. 30 vi CHƯƠNG 4.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU. Xác định hệ số chuyển hóa hoặc phân hủy của các chất ô nhiễm. Tốc độ phân hủy BOD (k1). Tốc độ Oxy hoá của Ni-tơ amonia (1).

Tốc độ Oxy hoá của Ni-tơ nitrite (2). Tốc độ thủy phân của Ni-tơ hữu cơ (3). Mô phỏng lan truyền chất ô nhiễm không ứng dụng giải pháp mái nhà xanh. Kịch bản 1: Kết quả lan truyền chất ô nhiễm khi không có mưa.

Kịch bản 2: Kết quả lan truyền chất ô nhiễm tại thời điểm có mưa. Mô phỏng lan truyền chất ô nhiễm ứng dụng giải pháp tự nhiên (kịch bản 3). KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 52 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.

58 vii DANH MỤC VIẾT TẮT TP.HCM Thành phố Hồ Chí Minh GPTN Giải pháp tự nhiên ĐNN Đất ngập nước MNX Mái nhà xanh BOD Nhu cầu oxy sinh hóa TKN Tổng nitơ Kendal NH3 Amoni NO3- Nitrat NO2- Nitrit 1D Một chiều 2D Hai chiều viii DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 2.Khu vực nghiên cứu. Các loại hình GPTN (Eggermont và cộng sự, 2015). Mô hình quản lý nước đô thị cổ điển và quản lý nước đô thị bền vững với những GPTN (Masi và cộng sự, 2018). Ứng dụng ĐNN công viên Gorla Maggiore, Ý (Reynaud và cộng sự, 2017)12 Hình 2.

MNX được chọn cho Giải thưởng Công trình xuất sắc năm 2016: MNX cho các tòa nhà dân cư (1,2); tòa nhà thể chế (3,4); tòa nhà thương mại (5,6) (Nguồn: greenroofs. Ứng dụng thu gom nước tại nhà. Mô tả phương trình vi phân đạo hàm riêng ở dạng bảo toàn trong miền Ω. Ba trạng thái chảy trong hệ thống cống – đường phố.

Hệ thống cống và mặt đường. Khung nghiên cứu. Thiết lập mô hình 1D cho dòng chảy trên sông. Thiết lập dòng chảy trong hệ thống thoát nước thải và trên đường phố.

Thiết lập mô hình 2D. Thiết lập lưu vực. Sơ đồ thực hiện mô phỏng bằng phần mềm F28. Tốc độ phân hủy của BOD trong 2 lần phân tích.

Tốc độ oxy hóa của Amoni trong 2 lần phân tích. Tốc độ tăng của nồng độ nitrat trong 2 lần phân tích. Tốc độ chuyển hóa thành amonia trong 2 lần phân tích. Dòng chảy nước thải sinh hoạt trong hệ thống cống thoát nước.

Quá trình lan truyền của BOD tại các thời điểm trong ngày 06/8/2020. Quá trình lan truyền của ammoni tại các thời điểm trong ngày 06/8/2020. Quá trình lan truyền của nitrat tại các thời điểm trong ngày 06/8/2020. Quá trình lan truyền của nitrit tại các thời điểm trong ngày 06/8/2020.

Các điểm ngập úng tại khu vực vào lúc trời đang mưa (18 giờ) và sau cơn mưa (22 giờ) ngày 06/8/2020. Lan truyền BOD trong điều kiện thời tiết không có mưa và có mưa. Lan truyền amoni trong điều kiện thời tiết không có mưa và có mưa. Lan truyền nitrat trong điều kiện thời tiết không có mưa và có mưa.

Lan truyền nitrit trong điều kiện thời tiết không có mưa và có mưa. Các điểm ngập úng tại khu vực vào lúc trời đang mưa (18 giờ) và sau cơn mưa (22 giờ) ngày 06/8/2020. Độ sâu tại các điểm ngập úng tại thời điểm có mưa khi không ứng dụng MNX (A) và khi ứng dụng MNX (B). Nồng độ BOD tại thời điểm mưa khi không ứng dụng MNX (A) và khi ứng dụng MNX (B).

Nồng độ amonium tại thời điểm mưa khi không ứng dụng MNX (A) và khi ứng dụng MNX (B). Nồng độ nitrat tại thời điểm mưa khi không ứng dụng MNX (A) và khi ứng dụng MNX (B). Nồng độ nitrit tại thời điểm mưa khi không ứng dụng MNX (A) và khi ứng dụng MNX (B). Biểu đồ lượng mưa vào ngày 06/8/2020.

Hình ảnh lấy mẫu và dự trữ mẫu nước thải sinh hoạt. 61 x DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 3. Dữ liệu đầu vào. Công thức xác định số hạng nguồn.

Công thức xác định số hạng nguồn sau khi đã rút gọn. Phương pháp thí nghiệm phân tích các thông số chất lượng nước. Kết quả phân tích nước thải sinh hoạt trong 20 ngày. Kết quả phân tích hệ số phân hủy các chất.

Kết quả chất lượng nước thải sinh hoạt. Sự thay đổi các thông số chất lượng nước trong ngày (đơn vị: mg/L). Sự thay đổi các thông số chất lượng nước tại điểm ngập đường Tam Bình (đơn vị mg/L). Hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt của mái nhà xanh.

Mực nước tại các trạm thủy văn trong ngày 06/8/2024. Kết quả thí nghiệm các thông số chất lượng nước trong 20 ngày sau khi lấy log các giá trị thực nghiệm. Kết quả thí nghiệm các thông số chất lượng nước dùng cho đầu vào. Lý do chọn đề tài Ngập úng đô thị từ lâu đã được cho là kết quả của các hiện tượng tự nhiên bao gồm mưa lớn, triều cường, sụt lún đất và sự kết hợp của những yếu tố này.

Bên cạnh đó, các tác động nhân tạo cũng đóng góp đáng kể như phát triển đô thị không theo quy hoạch và bê tông hóa các không gian giữ và thấm nước tự nhiên (Loc và cộng sự, 2017). Để khắc phục những hiện tượng này, các biện pháp công trình kiểm soát lũ lụt, ngập úng đã được xây dựng để bảo vệ cộng đồng, nâng cao chất lượng cuộc sống. Tuy nhiên, các công trình này chỉ đáp ứng những hiện tượng thời tiết thông thường, do đó các hiện tượng thời tiết khắc nghiệt không những không giảm thiểu mà còn có xu hướng ngày càng phổ biến và tác động đến đời sống con người nhiều hơn (Hoyer và cộng sự, 2011). Tại thành phố Thủ Đức, hệ thống thoát nước chưa được đầu tư hoàn chỉnh nên thường xuyên dẫn tới ngập vào mùa mưa cụ thể ở một số đoạn đường như đường Kha Vạn Cân, tỉnh lộ 43, đường Gò Dưa,… Hiện tượng ngập úng không những cản trở giao thông mà còn làm lan truyền các chất ô nhiễm từ cống thoát nước hoặc từ các vùng ô nhiễm và cuối cùng ảnh hưởng đến chất lượng nước mặt.

Với mục đích thành phố có thể phát triển bền vững, mái nhà xanh được xem là giải pháp tự nhiên phù hợp có thể ứng dụng trong khu vực đô thị để hạn chế lượng nước mưa chảy tràn, giảm thiểu ô nhiễm nước mặt, đáp ứng các thách thức về sức khỏe môi trường mà vẫn đảm bảo việc phát triển đô thị, kinh tế xã hội. Và công cụ mô hình là phương pháp phù hợp để đánh giá hiệu quả của mái nhà xanh. Do đó, luận văn tập trung đánh giá hiệu quả của mái nhà xanh đến chất lượng nước mặt tại khu vực nghiên cứu nằm trong thành phố Thủ Đức theo các kịch bản khác nhau và công cụ dùng để mô phỏng là phần mềm F28. Kết quả của luận văn được xem là cơ sở để đánh giá tính khả thi và hiệu quả việc ứng dụng mái nhà xanh trong quản lý nước đô thị hay giảm thiểu ô nhiễm nước mặt trong tương lai.

Mục đích nghiên cứu Đánh giá kết quả mô phỏng ứng dụng giải pháp tự nhiên đến chất lượng nước mặt tại khu vực nghiên cứu trong thành phố Thủ Đức. Phạm vi nghiên cứu - Mô phỏng hiệu quả của giải pháp mái nhà xanh đến chất lượng nước mặt của hệ thống kênh rạch tại khu vực nghiên cứu nằm trong Thành phố Thủ Đức tại thời điểm ngày 06/8/2020: + Khu vực thoát nước gồm 12 phường của thành phố Thủ Đức: Bình Chiểu, Tam Bình, Tam Phú, Hiệp Bình Phước, Hiệp Bình Chánh, Linh Đông, Linh Tây, Linh Xuân, Linh Trung, Linh Chiểu, Bình Thọ, Trường Thọ. + Hệ thống kênh rạch gồm kênh Ba Bò, rạch Gò Dưa, rạch Dừa, rạch Thủ Đức, suối Cái. - Tập trung thể hiện hiệu quả của mái nhà xanh đến chất lượng nước mặt qua hai tác động chính của mái nhà xanh là giúp giảm lượng nước mưa chảy tràn và giảm thiểu được các chất ô nhiễm (như nhu cầu oxy sinh hóa, amoni, nitrat, nitrit) của một phần nước thải sinh hoạt trong khu vực nghiên cứu.

Do đó, các yếu tố khác ảnh hưởng đến chất lượng nước mặt như chất lượng nước mưa chảy tràn và chất lượng nước mặt tại hệ thống sông ngoài khu vực nghiên cứu sẽ không được đề cập trong đề tài này. Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu được thực hiện qua các nội dung sau: - Xác định các hệ số chuyển hóa hoặc phân hủy của các thông số chất lượng nước thải sinh hoạt. - Mô phỏng sự lan truyền chất ô nhiễm tại thời có và không có mưa trong ngày - Mô phỏng sự lan truyền của chất ô nhiễm khi ứng dụng giải pháp tự nhiên là mái nhà xanh Để thực hiện ba nội dung nghiên cứu này, các nhiệm vụ đề tài này bao gồm: - Tổng quan hiện trạng hệ thống thoát nước Thành phố Hồ Chí Minh - Tổng quan các giải pháp tự nhiên - Thu thập các số liệu dân số, diện tích khu vực, lượng mưa, mực nước tại các trạm quan trắc, mực nước triều, mạng lưới thoát nước khu vực nghiên cứu, kích thước cống thoát nước. - Tiến hành thí nghiệm phân tích chất lượng nước thải sinh hoạt để xác định chất lượng nước đầu vào cho mô hình và các hệ số chuyển chuyển hóa hoặc phân hủy của các thông số chất lượng nước.

Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu được thực hiện trong đề tài là: - Phương pháp tổng quan tài liệu: việc tổng quan tài liệu không chỉ giúp nắm bắt được tình hình hiện tại về ô nhiễm và ngập úng mà còn giúp nhận biết các giải pháp đã được triển khai và đề xuất trong tương lai. Đồng thời, có thể nhận thấy rằng một số giải pháp đã được áp dụng nhưng vẫn chưa đủ hiệu quả và việc ứng dụng giải pháp tự nhiên là cần thiết. Việc tóm tắt tình hình nghiên cứu sẽ làm rõ những khoảng trống nghiên cứu hiện nay, từ đó sự cần thiết của đề tài sẽ được thể hiện rõ hơn.