Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Hồ Chí Minh hiện nằm trong danh sách 10 đô thị chịu ảnh hưởng nặng nề nhất toàn cầu trước nguy cơ nước biển dâng. Dự báo từ Liên Hiệp Quốc cảnh báo đến năm 2100, khi mực nước biển dâng cao thêm 1,0 m, sẽ có khoảng 20% tổng diện tích đô thị bị ngập chìm dưới nước. Trong bối cảnh đó, Thành phố Thủ Đức được thành lập trên cơ sở sáp nhập Quận 2, Quận 9 và Quận Thủ Đức với tổng diện tích 211,56 km² cùng quy mô dân số đạt hơn 1.176.599 người. Đây là hạt nhân kinh tế đóng góp tới 30% tổng sản phẩm trên địa bàn (GRDP) của Thành phố Hồ Chí Minh và chiếm khoảng 7% GDP cả nước, đạt mức GRDP bình quân đầu người ấn tượng 18.997 USD vào năm 2020.

Tuy nhiên, tốc độ đô thị hóa nhanh chóng cùng hiện tượng bê tông hóa bề mặt đã khiến địa hình tự nhiên bị biến đổi sâu sắc, hệ thống tiêu thoát nước không theo kịp đà tăng dân số và các trận mưa cực đoan có vũ lượng 100 – 200 mm, tạo ra hơn 80 điểm ngập cục bộ với độ sâu ngập trung bình khoảng 0,2 m đến 0,6 m. Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là giải quyết bài toán định lượng nguy cơ và rủi ro ngập úng đô thị dưới tác động kép của mưa lớn và triều cường. Mục tiêu cụ thể là xây dựng bản đồ nguy cơ ngập lụt tương ứng với các chu kỳ ngập lặp lại và định lượng hóa giá trị thiệt hại kinh tế trung bình hàng năm (Expected Annual Damage - EAD). Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ ranh giới hành chính Thành phố Thủ Đức với chuỗi dữ liệu quan trắc khí tượng thủy văn kéo dài 14 năm (giai đoạn 2009 – 2022). Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài thể hiện qua việc cung cấp công cụ mô phỏng chuẩn xác, giúp chính quyền đô thị bảo vệ khối tài sản hàng trăm tỷ đồng và tối ưu hóa nguồn vốn đầu tư hạ tầng thoát nước trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng thủy động lực học hiện đại kết hợp phương pháp luận đánh giá rủi ro thiên tai đô thị. Khung lý thuyết cốt lõi gồm:

  • Lý thuyết dòng chảy một chiều (1D/1Dc): Ứng dụng hệ phương trình Saint-Venant vi phân phi tuyến để mô tả chuyển động của nước trong mạng lưới sông, kênh hở (1D) và hệ thống cống ngầm thoát nước kết hợp dòng chảy dọc theo các trục đường giao thông (1Dc). Hệ thống liên kết cống ngầm và mặt đường được giải thông qua cân bằng lưu lượng tại các miệng hố ga theo quy luật dòng chảy qua đập tràn và lỗ xả.
  • Lý thuyết dòng chảy hai chiều nước nông (2D Shallow Water Equations): Áp dụng phương trình liên tục và phương trình động lượng Navier-Stokes tích phân theo chiều sâu nhằm mô phỏng lan truyền sóng ngập tại các khu vực trũng thấp, địa hình đồng bằng phức tạp không có hướng chảy cố định.
  • Mô hình dòng chảy mặt tiểu lưu vực (Sub-catchment Runoff Model): Xử lý quá trình hình thành dòng chảy từ mưa rơi, tính toán tổn thất do bốc hơi, thấm vào đất feralit hoặc nền đất yếu, từ đó xác định lưu lượng tràn bề mặt theo công thức Manning.

Các khái niệm then chốt được chuẩn hóa bao gồm: Chu kỳ lặp lại mưa - triều (Return Period - T), Mức độ ngập sâu (Flood Inundation Depth), Bản đồ nguy cơ ngập (Flood Hazard Map), Tổn thất kinh tế trực tiếp hữu hình (Direct Tangible Damage), và Thiệt hại trung bình hàng năm (EAD).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu đa tầng thu thập liên tục trong 14 năm (2009 – 2022), bao gồm số liệu mưa trận phân giải cao tại trạm Phước Long, chuỗi mực nước bán nhật triều tại trạm Phú An và trạm Bình Triệu, kết hợp bản đồ địa hình số hóa tỷ lệ 1/2.000 và hồ sơ trắc dọc trắc ngang toàn bộ hệ thống thoát nước hiện hữu.

Phương pháp mô hình hóa toán học được triển khai thông qua việc ứng dụng phần mềm thủy lực tích hợp đa chiều F28. Mô hình cho phép thiết lập và mô phỏng 48 trường hợp tính toán kết hợp từ 4 chu kỳ lặp lại (2 năm, 3 năm, 5 năm, 10 năm) trên 3 thời đoạn mưa trọng điểm là 60 phút, 90 phút và 120 phút. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ các trận mưa cực trị trong 14 năm quan trắc, được chọn lọc theo phương pháp thống kê xác suất tổ hợp biên ngẫu nhiên giữa đỉnh triều và lượng mưa tích lũy. Lý do lựa chọn mô hình F28 thay vì các bộ phần mềm thương mại như SWMM hay MIKE là nhờ khả năng tích hợp linh hoạt cùng lúc các khối tính toán 1D sông, 1Dc cống/đường và 2D mặt đất, tốc độ giải số phân giải cao vượt trội (chỉ mất khoảng 24 giây tính toán cho 10 ngày mô phỏng thực tế), độ chính xác ổn định trong cả trạng thái chảy êm lẫn chảy xiết, đồng thời dễ dàng đồng bộ hóa kết quả đầu ra với hệ thống thông tin địa lý GIS. Toàn bộ quy trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình được tiến hành từ tháng 09/2022 đến tháng 07/2023, so sánh thực tế với chuỗi 4 trận ngập lịch sử diễn ra trong năm 2022, đạt hệ số tin cậy Nash-Sutcliffe ở mức rất cao.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng thủy lực và phân tích kinh tế lượng đã đưa ra 4 phát hiện cốt lõi về hiện trạng ngập úng tại Thành phố Thủ Đức:

  • Sự phân hóa không gian ngập lụt sâu sắc theo địa hình: Vùng trũng thấp phía Nam và Đông Nam (thuộc khu vực Quận 2 và một phần Quận 9 cũ) có cao độ nền chỉ từ 0,5 m đến 2,0 m chịu tác động ngập nặng nề nhất, chiếm hơn 65% tổng diện tích ngập toàn đô thị. Ngược lại, khu vực đồi gò lượn sóng phía Bắc và Đông Bắc (Quận Thủ Đức và Quận 9) có cao độ 10 m đến 25 m ít bị ngập tràn diện rộng nhưng lại hình thành các túi ngập cục bộ nguy hiểm tại các vùng trũng chân đồi.
  • Mối tương quan lũy tiến giữa chu kỳ ngập và diện tích ngập: Khi chu kỳ lặp lại tăng từ 2 năm, 3 năm, 5 năm đến 10 năm, diện tích ngập lụt có xu hướng mở rộng đáng kể. Cụ thể, diện tích ngập với độ sâu trên 0,5 m ở chu kỳ 10 năm gia tăng khoảng 35% so với chu kỳ 2 năm, gây tê liệt diện rộng trên hàng trăm hecta đất đô thị và đất sản xuất.
  • Tác động cộng hưởng nghiêm trọng từ tổ hợp mưa - triều: Khi lượng mưa cực đoan đạt mức 35 – 50 mm xảy ra đồng thời với đỉnh triều tại trạm Phú An đạt 1,60 m đến 1,71 m, thời gian duy trì ngập kéo dài từ 1 đến 3 giờ. Các tuyến huyết mạch như Quốc Hương, Thảo Điền ghi nhận độ sâu ngập phổ biến 10 – 40 cm, cá biệt lên tới 60 cm; các trục đường Tô Ngọc Vân, Võ Văn Ngân, Kha Vạn Cân ngập sâu từ 10 – 30 cm gây đình trệ giao thương.
  • Gia tăng đột biến của tổn thất tài chính: Phân tích thiệt hại kinh tế trực tiếp hữu hình cho thấy chi phí khắc phục tổn thất tài sản, nhà cửa và công trình công cộng tăng vọt theo cấp số nhân khi chu kỳ ngập kéo dài, xác lập giá trị thiệt hại hàng năm (EAD) lên tới hàng chục tỷ đồng cho từng tiểu vùng đô thị hóa cao.

Thảo luận kết quả

Hiện trạng ngập úng tại Thành phố Thủ Đức bắt nguồn từ sự giao thoa giữa yếu tố tự nhiên và nhân tạo. Mạng lưới sông ngòi dày đặc với mật độ 3,38 km/km² cùng biên độ bán nhật triều lớn 3,5 – 4,0 m từ sông Sài Gòn và sông Đồng Nai tạo ra lực cản thủy lực tự nhiên rất lớn ở các cửa xả. Khi triều dâng cao, dòng chảy từ hệ thống cống không thể tự chảy ra sông, gây ứ đọng nội đồng. Yếu tố nhân tạo đóng vai trò làm trầm trọng hóa vấn đề: quá trình san lấp ao hồ, kênh rạch tự nhiên để phát triển hạ tầng cùng việc bê tông hóa diện rộng đã làm triệt tiêu khả năng thấm và trữ nước tự nhiên của đất feralit.

So sánh với các nghiên cứu trước đây tại khu vực nội thành Thành phố Hồ Chí Minh, kết quả của luận văn bằng phần mềm F28 thể hiện tính ưu việt trong việc mô tả chi tiết tương tác 3 trạng thái chảy trong cống (chảy tự do không áp, ngập đỉnh cống có áp và trào ngược lên mặt đường). Kết quả này có thể được biểu diễn một cách trực quan thông qua hệ thống 4 bản đồ nguy cơ ngập GIS phân tầng độ sâu màu sắc, kết hợp các đồ thị đường cong tần suất tổ hợp mưa - mực nước và bảng tổng hợp ma trận thiệt hại kinh tế phân loại chi tiết theo đất nông nghiệp và đất đô thị hóa cao. Điều này chứng minh rằng việc đánh giá rủi ro ngập đô thị bắt buộc phải xem xét đồng thời cả độ sâu ngập và tổn thất tài chính thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm giảm thiểu nguy cơ ngập lụt và bảo vệ thành quả phát triển kinh tế cho Thành phố Thủ Đức, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược:

  • Nâng cấp và cải tạo đồng bộ mạng lưới cống thoát nước ngầm: Tiến hành nạo vét, mở rộng khẩu độ cống và thay thế các tuyến cống xuống cấp tại các điểm nóng ngập lụt như đường Võ Văn Ngân, Tô Ngọc Vân, Quốc Hương. Mục tiêu cụ thể là nâng công suất tiêu thoát nước mưa thêm 40%, giảm thời gian ngập úng xuống dưới 20 phút cho các trận mưa dưới 50 mm. Lộ trình thực hiện trong giai đoạn 2024 – 2026, do Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng Hạ tầng Đô thị Thành phố Hồ Chí Minh chủ trì phối hợp với UBND Thành phố Thủ Đức.
  • Xây dựng hệ thống hồ điều tiết thông minh và trạm bơm tiêu thoát cưỡng bức: Bố trí quy hoạch 3 đến 5 hồ điều tiết ngầm kết hợp không gian mở tại các khu vực trũng thấp thuộc Quận 2 và Quận Thủ Đức cũ; lắp đặt các cụm trạm bơm kiểm soát triều công suất từ 5 đến 15 m³/s tại các cửa rạch chính đổ ra sông Sài Gòn nhằm hạ thấp mực nước nội đồng khi triều cường vượt ngưỡng 1,5 m. Thời gian hoàn thành trước năm 2028, do Sở Xây dựng chịu trách nhiệm phân bổ vốn đầu tư.
  • Phục hồi và bảo vệ nghiêm ngặt hành lang thoát lũ tự nhiên: Ban hành quy chế cấm san lấp kênh rạch, duy trì mật độ mặt nước tối thiểu 3,38 km/km² trên toàn địa bàn; áp dụng các giải pháp hạ tầng xanh (bê tông thấm nước, mái nhà xanh) tại các khu đô thị mới như Thủ Thiêm và Thảo Điền nhằm giảm 25% hệ số dòng chảy mặt trong giai đoạn 2024 – 2027, dưới sự giám sát của Sở Tài nguyên và Môi trường.
  • Triển khai mạng lưới quan trắc và cảnh báo ngập theo thời gian thực: Lắp đặt hệ thống cảm biến đo mực nước tự động tại hơn 80 điểm ngập trọng điểm, tích hợp thuật toán mô phỏng thủy lực F28 vào trung tâm điều hành đô thị thông minh để phát bản tin cảnh báo sớm trước 30 - 60 phút qua ứng dụng di động cho người dân. Thời gian triển khai từ năm 2024 đến năm 2025, do Sở Khoa học và Công nghệ chủ trì thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang giá trị ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Cơ quan quản lý nhà nước và nhà hoạch định chính sách đô thị (UBND Thành phố Thủ Đức, Sở Quy hoạch - Kiến trúc, Sở Xây dựng): Cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học tin cậy và bộ bản đồ nguy cơ ngập để thẩm định đồ án quy hoạch tổng thể mặt bằng, phân vùng sử dụng đất và xây dựng kế hoạch phân bổ ngân sách phòng chống thiên tai giai đoạn 2025 – 2030.
  • Kỹ sư tư vấn thiết kế công trình hạ tầng và thoát nước đô thị: Sử dụng các thông số thủy lực chi tiết, hệ số dòng chảy và phương pháp liên kết đa chiều 1D-1Dc-2D của phần mềm F28 làm tài liệu quy chuẩn để tính toán thủy lực cho các dự án xây dựng cống, đê bao và trạm bơm tiêu thoát nước trên nền địa hình tương đồng.
  • Giảng viên, nhà nghiên cứu và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Tài nguyên nước: Tiếp cận khung phương pháp luận hiện đại về phân tích tần suất ngẫu nhiên tổ hợp mưa - triều và mô hình hóa kinh tế thiệt hại EAD, làm tài liệu tham khảo giảng dạy và phát triển các đề tài nghiên cứu chuyên sâu về thủy văn đô thị.
  • Các tập đoàn phát triển bất động sản và doanh nghiệp bảo hiểm: Đánh giá chính xác mức độ rủi ro thiên tai và tính tổn thương tài sản tại các dự án bất động sản cao cấp ven sông Sài Gòn và sông Đồng Nai, từ đó xây dựng phương án kiến trúc thích ứng và định mức phí bảo hiểm ngập lụt hợp lý.

Câu hỏi thường gặp

  • Mô hình F28 có ưu thế gì vượt trội so với các phần mềm thủy lực khác trong nghiên cứu ngập đô thị?
    Phần mềm F28 tích hợp đồng thời mạng sông 1D, hệ cống ngầm và dòng chảy mặt đường 1Dc, cùng miền ngập tràn 2D. F28 cho tốc độ tính toán vượt trội (khoảng 24 giây cho chu kỳ 10 ngày so với 39 giây của mô hình MIKE 11), dung lượng nhẹ khoảng 21 MB, hoàn toàn miễn phí và tối ưu hóa cho điều kiện thủy văn phức tạp tại Việt Nam.

  • Tại sao Thành phố Thủ Đức có địa hình dốc nhưng vẫn xảy ra ngập úng nghiêm trọng?
    Mặc dù phía Bắc có cao độ từ 10 – 25 m tạo độ dốc tự nhiên, dòng chảy mặt dồn nhanh về vùng trũng phía Nam có cao độ chỉ 0,5 – 2,0 m. Khi gặp triều cường sông Sài Gòn dâng cao 1,6 – 1,7 m kết hợp hệ thống cống thiếu đồng bộ, nước bị nghẽn lại và gây ngập sâu từ 10 – 60 cm.

  • Chỉ số thiệt hại trung bình hàng năm EAD có ý nghĩa như thế nào trong bài toán chống ngập?
    Chỉ số EAD tích phân toàn bộ giá trị thiệt hại tài chính kỳ vọng qua các chu kỳ lặp lại 2, 3, 5 và 10 năm thành một con số định lượng duy nhất mỗi năm. Đây là cơ sở kinh tế cốt lõi giúp các nhà quản lý so sánh hiệu quả chi phí - lợi ích khi quyết định đầu tư các dự án công trình thoát nước hàng trăm tỷ đồng.

  • Luận văn xử lý dữ liệu mưa và triều cường bất định như thế nào để đảm bảo tính chính xác?
    Tác giả đã thu thập chuỗi số liệu thực đo liên tục 14 năm (2009 – 2022) tại trạm đo mưa Phước Long và trạm thủy triều Phú An. Dữ liệu được xử lý thống kê để lập đường cong tần suất tổ hợp mưa - mực nước cực trị, mô phỏng trên 48 kịch bản kết hợp đa dạng với các thời đoạn mưa 60, 90 và 120 phút.

  • Bản đồ nguy cơ ngập của luận văn có thể tích hợp vào hệ thống đô thị thông minh không?
    Hoàn toàn có thể. Dữ liệu đầu ra của mô hình F28 được chuẩn hóa theo hệ tọa độ địa lý tương thích với các nền tảng GIS, MapInfo và Google Earth. Bản đồ này dễ dàng số hóa để tích hợp vào cổng thông tin điều hành đô thị thông minh của Thành phố Thủ Đức, phục vụ cứu hộ và cảnh báo giao thông thời gian thực.

Kết luận

  • Xây dựng thành công cơ sở dữ liệu thủy văn hoàn chỉnh trong 14 năm (2009 – 2022) và xác lập chính xác các đường tần suất tổ hợp mưa - triều cực trị trên địa bàn Thành phố Thủ Đức.
  • Thiết lập mô hình thủy lực tích hợp đa chiều 1D/1Dc/2D bằng phần mềm F28, mô phỏng chuẩn xác 48 trường hợp ngập úng theo các chu kỳ lặp lại 2, 3, 5 và 10 năm với các thời đoạn mưa 60, 90 và 120 phút.
  • Công bố bộ 4 bản đồ nguy cơ ngập lụt đô thị chi tiết, chỉ rõ các điểm ngập sâu trọng điểm tại Thảo Điền, Tô Ngọc Vân, Võ Văn Ngân với độ sâu ngập từ 0,1 m đến 0,6 m.
  • Định lượng hóa rủi ro kinh tế thông qua giá trị thiệt hại trung bình hàng năm (EAD), tạo tiền đề khoa học vững chắc cho việc thẩm định kinh tế các dự án hạ tầng chống ngập.
  • Đề xuất khung 4 giải pháp công trình và phi công trình đồng bộ, xác định lộ trình đầu tư rõ ràng từ năm 2024 đến năm 2030 gắn liền với trách nhiệm của từng sở ban ngành.

Đóng góp chính của luận văn là hoàn thiện phương pháp luận đánh giá toàn diện nguy cơ và rủi ro ngập lụt đô thị, kết hợp chặt chẽ giữa mô hình thủy lực toán học và phân tích kinh tế vi mô. Bước tiếp theo cần mở rộng mô hình cho các kịch bản biến đổi khí hậu dài hạn đến năm 2050 và tích hợp trí tuệ nhân tạo để tự động hóa dự báo ngập. Các nhà quản lý đô thị, kỹ sư công trình và viện nghiên cứu hãy chủ động ứng dụng ngay kết quả nghiên cứu này vào công tác quy hoạch thực tế, cùng chung tay xây dựng Thành phố Thủ Đức trở thành một đô thị thông minh, bền vững và thích ứng an toàn trước thiên tai.