Tổng quan nghiên cứu

Biến đổi khí hậu (BĐKH) đang là thách thức toàn cầu, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ thống thoát nước đô thị, đặc biệt tại các vùng ven biển và đồng bằng thấp như thành phố Nam Định, Việt Nam. Việt Nam có hơn 3.260 km bờ biển, chịu tác động nặng nề từ mực nước biển dâng, thiên tai và lũ lụt. Theo ước tính, nếu mực nước biển dâng thêm 1m, thiệt hại kinh tế có thể lên tới 17 tỷ USD/năm, tương đương 10% GDP, ảnh hưởng đến 1/5 dân số và 12,3% diện tích đất trồng trọt. Thành phố Nam Định, nằm trong vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng, có địa hình bằng phẳng, khí hậu nhiệt đới gió mùa với lượng mưa trung bình hàng năm khoảng 1.470 mm, tập trung chủ yếu vào mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 10. Thành phố đã trải qua 26 trận bão và nhiều đợt mưa lớn gây ngập úng nghiêm trọng, ảnh hưởng đến đời sống và sản xuất.

Mục tiêu nghiên cứu là đề xuất các giải pháp thoát nước bền vững, thích ứng với biến đổi khí hậu cho thành phố Nam Định, nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống và phát triển kinh tế xã hội. Phạm vi nghiên cứu tập trung trên địa bàn thành phố Nam Định, với dữ liệu khí tượng thủy văn, hiện trạng hệ thống thoát nước và mô hình mô phỏng dòng chảy mặt sử dụng phần mềm SWMM. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm thiểu ngập úng, cải thiện quản lý nước mưa và thích ứng với các tác động của BĐKH tại các đô thị ven biển Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết biến đổi khí hậu và tác động đến hệ thống thoát nước đô thị: Phân tích các hiện tượng khí hậu cực đoan, mưa lớn, bão và mực nước biển dâng ảnh hưởng đến ngập úng đô thị.
  • Mô hình phát triển tác động thấp (Low Impact Development - LID): Phương pháp quản lý nước mưa dựa trên nguyên lý bảo tồn và mô phỏng chu trình nước tự nhiên, giảm dòng chảy bề mặt và tăng thấm ngấm.
  • Hệ thống thoát nước đô thị bền vững (Sustainable Urban Drainage Systems - SUDS): Tập hợp các biện pháp kỹ thuật nhằm điều chỉnh chu trình nước đô thị gần với chu trình tự nhiên, giảm thiểu ô nhiễm và ngập úng.
  • Mô hình SWMM (Storm Water Management Model): Mô hình động lực học mô phỏng dòng chảy mặt và chất lượng nước trong hệ thống thoát nước đô thị, được sử dụng để đánh giá và thiết kế hệ thống thoát nước.

Các khái niệm chính bao gồm: dòng chảy bề mặt, thấm ngấm, hồ điều hòa phi tuyển, công trình LID (mái nhà xanh, vật liệu thấm, hộp trồng cây), và các chỉ số đánh giá hiệu quả thoát nước như lưu lượng cực đại, thể tích dòng chảy.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khí tượng thủy văn từ trạm Nam Định, số liệu hiện trạng hệ thống thoát nước, dân số, địa hình và sử dụng đất. Dữ liệu được thu thập từ các cơ quan quản lý địa phương và các dự án quy hoạch thoát nước.

Phương pháp nghiên cứu gồm:

  • Thu thập và tổng hợp tài liệu: Nghiên cứu các tài liệu trong và ngoài nước về thoát nước bền vững và mô hình SWMM.
  • Khảo sát hiện trường: Đánh giá thực trạng hệ thống thoát nước và xử lý nước thải tại thành phố Nam Định.
  • Mô phỏng bằng phần mềm SWMM: Xây dựng mô hình dòng chảy mặt cho hệ thống thoát nước hiện trạng, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình dựa trên số liệu thực đo tại các nút quan trọng.
  • Phân tích và đề xuất giải pháp: Dựa trên kết quả mô phỏng, đánh giá các phương án LID và SUDS phù hợp với điều kiện địa phương.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ hệ thống thoát nước trên địa bàn thành phố với hơn 3.600 ga thu nước, 71,54 km cống ngầm và 5,17 km cống nổi. Phương pháp chọn mẫu là toàn bộ hệ thống thoát nước đô thị chính, đảm bảo tính đại diện và toàn diện. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ năm 2019 đến 2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng hệ thống thoát nước xuống cấp và không đồng bộ: Hệ thống thoát nước chung của thành phố có mật độ cống thấp (chỉ khoảng 0,04-0,06 m/người), trong khi các đô thị lớn như Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh đạt 0,2 m/người. Hơn 30% tuyến cống hư hỏng nặng, 40% xuống cấp, gây giảm hiệu quả thoát nước và ngập úng cục bộ tại nhiều điểm như ngã tư Trần Hưng Đạo - Phan Đình Phùng, đường Trần Hưng Đạo ven hồ Truyền Thống.

  2. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu làm tăng tần suất và cường độ mưa lớn: Số liệu mưa ngày cực đại tại trạm Nam Định trong 20 năm (1999-2018) cho thấy mức mưa lớn nhất lên tới 119,5 mm/ngày, với các trận mưa thiết kế theo kịch bản BĐKH dự báo tăng từ 10-20% lượng mưa trung bình. Điều này làm tăng nguy cơ ngập úng và áp lực lên hệ thống thoát nước hiện tại.

  3. Mô hình SWMM hiệu chỉnh cho kết quả mô phỏng chính xác: So sánh số liệu tính toán và thực đo tại các nút N28, N04, N32 cho thấy sai số dưới 10%, chỉ số Nash đạt mức chấp nhận được, chứng tỏ mô hình phù hợp để đánh giá hiệu quả các giải pháp thoát nước.

  4. Giải pháp LID và SUDS giảm lưu lượng đỉnh và thể tích dòng chảy hiệu quả: Các công trình như mái nhà xanh, vật liệu thấm, hộp trồng cây, rãnh xâm nhập giúp giảm tốc độ dòng chảy từ 50% đến 93%, đồng thời cải thiện chất lượng nước mưa trước khi thải ra môi trường. Mô phỏng cho thấy khi áp dụng các giải pháp này, mức độ ngập úng tại các điểm ngập giảm đáng kể, đặc biệt trong các trận mưa lớn theo kịch bản BĐKH.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của tình trạng ngập úng là do hệ thống thoát nước hiện tại không đáp ứng được lưu lượng nước mưa ngày càng tăng do biến đổi khí hậu và phát triển đô thị không đồng bộ. So với các nghiên cứu tại các đô thị lớn khác ở Việt Nam và quốc tế, kết quả cho thấy Nam Định có mật độ cống thấp và hệ thống kênh mương chưa được kiên cố hóa, gây khó khăn trong việc tiêu thoát nước.

Việc ứng dụng mô hình SWMM đã được nhiều quốc gia như Mỹ, Úc, Malaysia chứng minh là công cụ hiệu quả trong thiết kế và quản lý hệ thống thoát nước bền vững. Kết quả mô phỏng tại Nam Định tương đồng với các nghiên cứu tại Connells Point (Australia) và Fort Dodge (Mỹ), cho thấy các giải pháp LID và SUDS không chỉ giảm ngập úng mà còn cải thiện chất lượng nước, góp phần bảo vệ môi trường.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh lưu lượng dòng chảy đỉnh trước và sau khi áp dụng giải pháp, bảng thống kê sai số mô hình và bản đồ phân bố các điểm ngập úng để minh họa hiệu quả của các giải pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng và nâng cấp hệ thống thoát nước đồng bộ theo quy hoạch bền vững: Tăng mật độ cống thoát nước lên tối thiểu 0,1 m/người trong giai đoạn 5 năm tới, ưu tiên cải tạo các tuyến cống hư hỏng nặng và mở rộng hệ thống kênh mương kiên cố. Chủ thể thực hiện: Sở Xây dựng, Công ty Thoát nước và Môi trường đô thị Nam Định.

  2. Áp dụng rộng rãi các công trình LID trong quy hoạch đô thị mới và cải tạo đô thị cũ: Triển khai mái nhà xanh, vật liệu thấm, hộp trồng cây, rãnh xâm nhập tại các khu dân cư, công viên và đường phố trong vòng 3 năm tới nhằm giảm lưu lượng dòng chảy bề mặt và tăng thấm ngấm. Chủ thể thực hiện: Ban Quản lý dự án đô thị, các chủ đầu tư xây dựng.

  3. Phát triển hệ thống hồ điều hòa và ao điều tiết nước mưa: Tăng diện tích hồ điều hòa hiện có từ 49,71 ha lên 60 ha trong 5 năm tới để điều tiết lưu lượng nước mưa, giảm áp lực lên hệ thống thoát nước. Chủ thể thực hiện: UBND thành phố, Sở Tài nguyên và Môi trường.

  4. Nâng cao năng lực quản lý và vận hành hệ thống thoát nước: Đào tạo cán bộ kỹ thuật, áp dụng công nghệ giám sát và mô phỏng liên tục bằng phần mềm SWMM để kịp thời điều chỉnh vận hành, giảm thiểu ngập úng trong mùa mưa. Chủ thể thực hiện: Công ty Thoát nước và Môi trường đô thị, Trung tâm Quản lý đô thị.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý đô thị và quy hoạch: Nhận diện các điểm yếu trong hệ thống thoát nước hiện tại, áp dụng các giải pháp bền vững để nâng cao hiệu quả quản lý và phát triển đô thị thích ứng với biến đổi khí hậu.

  2. Các kỹ sư và chuyên gia môi trường: Áp dụng mô hình SWMM và các công trình LID trong thiết kế, thi công và vận hành hệ thống thoát nước đô thị, nâng cao chất lượng nước và giảm thiểu ngập úng.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành thủy lợi, môi trường: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình mô phỏng và phân tích dữ liệu khí tượng thủy văn, cũng như các giải pháp kỹ thuật thoát nước bền vững.

  4. Các nhà hoạch định chính sách và cơ quan quản lý tài nguyên nước: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy định và chương trình mục tiêu quốc gia về ứng phó biến đổi khí hậu và quản lý nước đô thị.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao thành phố Nam Định dễ bị ngập úng?
    Do hệ thống thoát nước hiện tại xuống cấp, mật độ cống thấp, kết hợp với lượng mưa lớn và biến đổi khí hậu làm tăng lưu lượng nước mưa, gây quá tải hệ thống và ngập úng cục bộ.

  2. Mô hình SWMM có ưu điểm gì trong nghiên cứu thoát nước?
    SWMM mô phỏng chính xác dòng chảy bề mặt và chất lượng nước, cho phép đánh giá hiệu quả các giải pháp thoát nước bền vững, hỗ trợ thiết kế và quản lý hệ thống thoát nước đô thị.

  3. Các công trình LID nào phù hợp với điều kiện Nam Định?
    Mái nhà xanh, vật liệu lát thấm nước, hộp trồng cây và rãnh xâm nhập là các công trình phù hợp, giúp giảm lưu lượng dòng chảy, tăng thấm ngấm và cải thiện cảnh quan đô thị.

  4. Làm thế nào để nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống thoát nước?
    Áp dụng công nghệ giám sát, mô phỏng liên tục bằng phần mềm SWMM, đào tạo nhân lực và phối hợp quản lý chặt chẽ giữa các ngành liên quan để kịp thời xử lý sự cố và điều chỉnh vận hành.

  5. Giải pháp nào giúp giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu đến thoát nước đô thị?
    Kết hợp nâng cấp hạ tầng thoát nước, áp dụng các công trình LID, phát triển hồ điều hòa và tăng cường quản lý vận hành hệ thống là các giải pháp hiệu quả để thích ứng với biến đổi khí hậu.

Kết luận

  • Thành phố Nam Định đang đối mặt với thách thức lớn từ biến đổi khí hậu và hệ thống thoát nước xuống cấp, gây ngập úng nghiêm trọng.
  • Mô hình SWMM được hiệu chỉnh chính xác, là công cụ hữu hiệu để đánh giá và đề xuất giải pháp thoát nước bền vững.
  • Các công trình LID và SUDS giúp giảm lưu lượng dòng chảy đỉnh từ 50% đến 93%, cải thiện chất lượng nước và giảm ngập úng.
  • Đề xuất nâng cấp hệ thống thoát nước, áp dụng công trình LID, phát triển hồ điều hòa và nâng cao năng lực quản lý vận hành trong 3-5 năm tới.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao nhận thức và cung cấp cơ sở khoa học cho quản lý thoát nước đô thị thích ứng với biến đổi khí hậu tại Việt Nam.

Hành động tiếp theo: Các cơ quan quản lý và nhà đầu tư cần phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi và ứng dụng công nghệ mới để đảm bảo phát triển đô thị bền vững.