Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Sóc Trăng là trung tâm hành chính, kinh tế và văn hóa của tỉnh Sóc Trăng với diện tích tự nhiên 76,16 km² và mật độ dân số đạt 1.810 người/km², cao gấp 5 lần mật độ bình quân toàn tỉnh. Nằm ở hạ lưu lưu vực sông Mê Kông và chịu ảnh hưởng trực tiếp từ chế độ bán nhật triều không đều của Biển Đông qua sông Hậu, khu vực này sở hữu lượng mưa trung bình hàng năm từ 2.100 mm đến 2.300 mm, trong đó hơn 90% lượng mưa tập trung vào các tháng mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm xuất phát từ thực trạng hệ thống tiêu thoát nước đô thị phần lớn được xây dựng từ trước năm 1975, đã xuống cấp nghiêm trọng, tiết diện cống nhỏ và thiếu đồng bộ. Khi xuất hiện các trận mưa lớn trùng với thời điểm đỉnh triều dâng từ 0,4 m đến 1,4 m trên sông Maspero và sông Đinh, các trục đường huyết mạch như Phú Lợi, Lê Duẩn, Lê Hồng Phong và Trần Bình Trọng thường xuyên bị ngập úng cục bộ với độ sâu ngập phổ biến từ 0,2 m đến 0,4 m.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là ứng dụng mô hình toán thủy lực SWMM nhằm mô phỏng, đánh giá định lượng khả năng làm việc của mạng lưới thoát nước hiện trạng; từ đó đề xuất các giải pháp công trình và phi công trình tối ưu nhằm nâng cao năng lực tiêu thoát nước cho khu vực trung tâm thành phố. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vùng lõi nội thị gồm 10 phường hành chính, định hướng theo quy hoạch xây dựng đến năm 2030 và tầm nhìn dài hạn đến năm 2050. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giải quyết bài toán kiểm soát ngập lụt trước kịch bản biến đổi khí hậu làm nước biển dâng từ 25 cm đến 37 cm và lượng mưa tăng từ 5% đến 10%, bảo vệ môi trường sống bền vững cho hơn 137.899 cư dân đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết thủy văn - thủy lực đô thị hiện đại và phương pháp tiếp cận quản lý nước mưa bền vững. Hai khung lý thuyết và mô hình trụ cột được áp dụng gồm:

  • Lý thuyết dòng chảy tràn bề mặt đô thị và mô hình thủy lực SWMM (Storm Water Management Model) do Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA) phát triển. Mô hình này mô phỏng chi tiết các quá trình thủy văn hình thành dòng chảy từ mưa, tổn thất thấm, trữ trũng và truyền sóng lũ trong mạng lưới đường ống, kênh hở, công trình điều tiết theo phương trình Saint-Venant dạng sóng động (Dynamic Wave).
  • Khung lý thuyết thoát nước đô thị bền vững (Sustainable Urban Drainage Systems - SUDS) kết hợp phương thức thực hành quản lý tốt nhất (Best Management Practices - BMPs) và phát triển tác động thấp (LID), nhấn mạnh nguyên lý "thoát chậm" thay vì tập trung thu gom và xả nhanh truyền thống.

Các khái niệm chuyên ngành cốt lõi được vận dụng xuyên suốt gồm:

  • Đường cong cường độ - thời lượng - tần suất mưa (IDF curve)
  • Hệ số dòng chảy bề mặt phủ đô thị
  • Phân phối mưa thiết kế theo phương pháp khối giảm dần
  • Hiệu ứng nước dềnh do đỉnh triều cao tại cửa xả
  • Trữ lượng điều hòa dòng chảy tự nhiên qua mặt nước đô thị

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào được thu thập và kế thừa đồng bộ từ nhiều cơ quan chuyên trách:

  • Chuỗi số liệu khí tượng thủy văn liên tục 25 năm (1993–2017) tại Trạm Khí tượng Thủy văn Sóc Trăng.
  • Dữ liệu mực nước triều thực đo tại trạm Đại Ngãi và trạm Mỹ Thanh kết hợp kết quả mô hình hóa thủy lực lưu vực sông Maspero và sông Đinh do Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam thực hiện.
  • Bản đồ cao độ địa hình, mạng lưới thoát nước định dạng AutoCAD và GIS từ Dự án Đầu tư Xây dựng Hệ thống Thoát nước và Xử lý Nước thải TP. Sóc Trăng do Ngân hàng Tái thiết Đức (KfW) tài trợ.
  • Kịch bản biến đổi khí hậu và quy hoạch chống ngập úng theo Quyết định số 1420/QĐ-UBND ngày 10/06/2016 của UBND tỉnh Sóc Trăng.

Quy mô mẫu phân tích khí tượng sử dụng toàn bộ chuỗi quan trắc 25 năm, đảm bảo tính ổn định thống kê theo Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia QCVN 04-05:2013/BNNPTNT. Tần suất mưa thiết kế được chọn là P = 10% (tương ứng chu kỳ lặp lại 10 năm), xác định lượng mưa thiết kế 1 ngày lớn nhất là 137,8 mm trong 24 giờ dựa trên phần mềm tính toán tần suất chuyên dụng Freq (FC 2008). Trận mưa thực tế ngày 27/8/2011 (lượng mưa 138,1 mm) và trận mưa ngày 04/10/2014 được chọn làm các mẫu điển hình phục vụ kiểm định và hiệu chỉnh mô hình. Phương pháp phân tích sóng động trong SWMM được lựa chọn vì đây là phương pháp duy nhất giải quyết chính xác bài toán thủy lực phi tĩnh khi mạng lưới cống chịu tác động dềnh ngược của thủy triều hai lần mỗi ngày.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng thủy lực bằng mô hình SWMM đã chỉ ra các phát hiện định lượng then chốt về trạng thái vận hành của mạng lưới thoát nước TP. Sóc Trăng:

  • Mạng lưới cống chính hiện trạng bị quá tải nghiêm trọng về khả năng truyền tải. Tuyến cống dọc đường Lê Duẩn và Lê Hồng Phong - Nguyễn Thị Minh Khai (tiết diện D600 đến D1000) không đủ khả năng thoát nước khi mưa lớn, dẫn đến hiện tượng đầy cống và trào ngược tại các hố ga. Vào thời điểm triều cao lúc 19:00 kết hợp mưa thiết kế 137,8 mm, độ sâu ngập trên mặt đường ghi nhận từ 0,2 m đến 0,4 m, thời gian ngập kéo dài từ 45 phút đến 90 phút.
  • Hiệu ứng tương tác bất lợi giữa mưa lớn và thủy triều làm sụt giảm mạnh năng lực xả tự chảy. Mực nước sông Maspero dao động từ 0,4 m đến 1,4 m khiến các cửa xả bị ngập sâu từ 50% đến 100% tiết diện sổ nước trong thời gian đỉnh triều, làm giảm từ 40% đến 65% lưu lượng thoát nước tự nhiên so với điều kiện triều kiệt.
  • Kênh rạch hở bị suy giảm khả năng trữ và dẫn dòng. Các trục tiêu chính như Kênh Trà Men, Kênh HiTech và Kênh Tầm Thước bị bồi lắng, cây cỏ xâm lấn và rác thải che phủ, làm thu hẹp từ 30% đến 50% mặt cắt ướt thiết kế. Hàm lượng oxy hòa tan (DO) tại các đoạn kênh này chỉ đạt 0,8 mg/L đến 3,2 mg/L, phát sinh khí độc bốc mùi hôi thối và cản trở dòng chảy.
  • Tác động cộng hưởng của biến đổi khí hậu trong tương lai: Mô phỏng theo kịch bản đến năm 2050 (mực nước biển dâng thêm 27 cm đến 37 cm, lượng mưa cực đoan tăng 10%) cho thấy diện tích ngập úng nội đô sẽ mở rộng thêm khoảng 35% nếu giữ nguyên hiện trạng hạ tầng kỹ thuật.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi gây ngập úng tại TP. Sóc Trăng bắt nguồn từ cấu trúc địa hình trũng thấp với cao độ trung bình chỉ đạt +1,0 m đến +1,6 m, trong khi mật độ dòng chảy tự nhiên đạt 1,1 km/km² nhưng chưa được kết nối đồng bộ. Tốc độ đô thị hóa nhanh chóng làm tăng tỷ lệ mặt phủ không thấm nước, khiến thể tích dòng chảy tràn bề mặt đô thị tăng gấp 3 đến 5 lần so với điều kiện tự nhiên, tương đồng với các phân tích khoa học của nhiều đô thị đang phát triển tại Đồng bằng sông Cửu Long.

Khi đối chiếu với các công trình quốc tế, bài toán chống ngập không thể chỉ dựa vào việc đào sâu hay mở rộng kích thước cống. London (Anh) đã vận hành thành công đập ngăn triều Thames Barrier trị giá 535 triệu Bảng Anh gồm 10 cửa van thép để bảo vệ lưu vực sông Thames; Tokyo (Nhật Bản) xây dựng hệ thống cống ngầm G-Cans sâu 50 m với bể điều áp chứa nước khổng lồ và 78 máy bơm công suất xả 200 m³/s; Malaysia vận hành đường hầm SMART dài 9,7 km kết hợp giao thông và xả lũ; Singapore ứng dụng đập Marina Barrage cùng mặt đường thấm nước để giữ lại 30% đến 40% thể tích nước rỗng. Tại Việt Nam, dự án kiểm soát ngập 332 triệu USD tại Cần Thơ và dự án ngăn triều 10.000 tỷ đồng tại TP. Hồ Chí Minh cũng chứng minh rằng việc kết hợp cống ngăn triều, trạm bơm tiêu và hồ điều hòa là xu thế tất yếu.

Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu được minh chứng qua chuỗi biểu đồ trắc dọc thủy lực và bảng so sánh chi tiết giữa lưu lượng tính toán với lưu lượng thực đo tại các cửa xả, phản ánh chính xác các pha ngập lụt tương thích với dữ liệu ngập thực tế ngày 04/10/2014.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả mô hình hóa SWMM và định hướng quy hoạch đến năm 2030, tầm nhìn 2050, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp đồng bộ:

  • Nâng cấp và cải tạo mạng lưới cống ngầm trục chính: Tiến hành thay thế các tuyến cống tròn cũ D600–D1000 trên các trục đường Lê Duẩn, Phú Lợi, Lê Hồng Phong bằng hệ thống cống tròn D800–D1500 và cống hộp đôi với tổng chiều dài 50.409 m cống phân tán và 171 m cống hộp; lắp đặt van lật ngăn triều một chiều tại 100% các cửa xả ra sông Maspero và sông Đinh nhằm triệt tiêu hiện tượng chảy ngược. Mục tiêu: Giảm 100% tình trạng ngập úng trên các trục lộ chính trước năm 2030. Chủ thể thực hiện: Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng và Sở Xây dựng tỉnh Sóc Trăng.
  • Nạo vét, giải tỏa và gia cố kè hành lang kênh hở: Cải tạo 16.688 m kè bờ và khơi thông 7,11 km kênh mương (tập trung vào Kênh Trà Men, HiTech, Tầm Thước); di dời công trình lấn chiếm lòng kênh, nâng hàm lượng DO trong nước lên trên 4,0 mg/L. Timeline thực hiện: Hoàn thành trong giai đoạn 2021–2026. Chủ thể thực hiện: UBND TP. Sóc Trăng phối hợp Sở Tài nguyên và Môi trường.
  • Xây dựng hệ thống công trình tiêu động lực và hồ điều hòa sinh thái: Quy hoạch xây dựng 5 trạm bơm tiêu úng cưỡng bức tại các phân lưu trũng thấp kết hợp hệ thống hồ điều hòa diện tích mặt nước khoảng 15 ha đến 20 ha; phối hợp vận hành giai đoạn 2 Nhà máy Xử lý nước thải TP. Sóc Trăng nâng công suất lên 24.000 m³/ngày đêm phục vụ lưu vực 970 ha. Timeline hoàn thành: Giai đoạn 2025–2030. Chủ thể thực hiện: Công ty Cổ phần Cấp thoát nước Sóc Trăng và các đối tác tài trợ ODA (KfW).
  • Triển khai giải pháp phi công trình và công nghệ thấm chậm (BMPs/LID): Ban hành quy chế quản lý cốt xây dựng khống chế (+2,0 m đến +2,4 m); ứng dụng vật liệu bê tông rỗng thấm nước Hydromedia cho tối thiểu 25% diện tích bãi đỗ xe, vỉa hè công cộng; thiết lập trạm đo mưa tự động kết nối mô hình SCADA cảnh báo ngập theo thời gian thực. Timeline: 2025–2050. Chủ thể thực hiện: Sở Xây dựng và Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Sóc Trăng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Cơ quan quản lý nhà nước và chính quyền địa phương: Lãnh đạo UBND tỉnh Sóc Trăng, UBND TP. Sóc Trăng và Sở Xây dựng sử dụng tài liệu làm luận cứ khoa học chuẩn xác để điều chỉnh Quy hoạch thoát nước đô thị theo Quyết định số 1420/QĐ-UBND, phân bổ vốn đầu tư công trung hạn hiệu quả.
  • Đơn vị tư vấn thiết kế và kỹ sư hạ tầng kỹ thuật: Các công ty tư vấn cấp thoát nước, chuyên gia mô hình hóa thủy lực có thể khai thác quy trình thiết lập, gán thông số nhám Manning, chia lưu vực nhánh và hiệu chỉnh mô hình SWMM trong điều kiện chịu ảnh hưởng thủy triều phức tạp tại vùng đồng bằng ven biển.
  • Các tổ chức quốc tế và Ban quản lý dự án ODA: Các định chế tài chính và nhà tài trợ như KfW, GIZ, Ngân hàng Thế giới (WB) sử dụng số liệu đánh giá ngập úng và lưu lượng tính toán để thẩm định dự án nâng cấp đô thị giai đoạn 2 quy mô 970 ha.
  • Giảng viên, học viên cao học và nhà nghiên cứu học thuật: Các trường đại học khối kỹ thuật và viện nghiên cứu chuyên ngành Kỹ thuật Hạ tầng, Kỹ thuật Tài nguyên nước sử dụng làm tài liệu tham khảo tiêu biểu về ứng dụng công nghệ mô phỏng số thích ứng với biến đổi khí hậu.

Câu hỏi thường gặp

  • Tại sao mô hình SWMM là lựa chọn tối ưu cho hệ thống thoát nước TP. Sóc Trăng? Mô hình SWMM tích hợp thuật toán Dynamic Wave cho phép giải phương trình Saint-Venant đầy đủ, mô tả chính xác hiện tượng dòng chảy chậm, nước dềnh và chảy ngược từ sông Maspero vào cống khi mực nước triều ngoài sông cao hơn cao độ đáy cống, điều mà các phương pháp giải tích truyền thống không thể thực hiện được.

  • Trận mưa tính toán thiết kế trong luận văn được xác lập dựa trên tiêu chuẩn nào? Trận mưa thiết kế được xác lập dựa trên chuỗi số liệu 25 năm (1993–2017) theo Quy chuẩn QCVN 04-05:2013/BNNPTNT với tần suất thiết kế P = 10%. Lượng mưa ngày thiết kế tính toán đạt 137,8 mm trong 24 giờ, sử dụng mô hình mưa điển hình ngày 27/8/2011 để phân bố lượng mưa theo thời gian.

  • Nghiên cứu đã tích hợp kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng như thế nào? Nghiên cứu sử dụng kịch bản biến đổi khí hậu cập nhật của Bộ Tài nguyên và Môi trường và Dự án GIZ. Đến năm 2050, mô hình đưa vào điều kiện biên với mực nước biển dâng thêm 27 cm đến 37 cm kết hợp gia tăng 10% cường độ mưa thiết kế nhằm đảm bảo công trình an toàn trong suốt vòng đời dự án.

  • Vì sao việc chỉ mở rộng kích thước đường cống không giải quyết triệt để ngập lụt? Do cao độ mặt đất TP. Sóc Trăng trung bình chỉ đạt +1,0 m, trong khi mực nước triều sông Maspero thường xuyên đạt đỉnh +1,4 m. Nếu chỉ tăng tiết diện cống mà không có van ngăn triều và trạm bơm hỗ trợ, nước triều sẽ xâm nhập ngược vào đô thị nhanh và sâu hơn, gây ngập lụt nặng nề hơn.

  • Giải pháp thoát nước bền vững (SUDS) nào mang tính khả thi cao nhất cho địa phương? Giải pháp khả thi nhất là kết hợp nạo vét khôi phục 7,11 km kênh mương tự nhiên để tăng dung tích trữ nước, xây dựng hồ điều hòa sinh thái 15 ha đến 20 ha và từng bước phủ bê tông rỗng thấm nước tại vỉa hè các khu đô thị mới nhằm giảm áp lực cho hệ thống cống ngầm.

Kết luận

  • Luận văn đã đánh giá toàn diện hiện trạng tiêu thoát nước của TP. Sóc Trăng với mật độ dân số 1.810 người/km², chỉ rõ nguyên nhân ngập úng do cống nhỏ hẹp, bồi lắng kênh rạch và tác động của triều dâng.
  • Ứng dụng thành công mô hình thủy lực SWMM trên chuỗi quan trắc 25 năm, mô phỏng chuẩn xác các điểm nghẽn thủy lực với trận mưa thiết kế 137,8 mm (P = 10%) và đỉnh triều +1,4 m.
  • Chứng minh tính cấp thiết của việc tích hợp kịch bản nước biển dâng 27 cm đến 37 cm vào quy hoạch hạ tầng kỹ thuật giai đoạn 2030–2050.
  • Đề xuất hệ thống giải pháp công trình và phi công trình tổng thể gồm: Cải tạo 50.409 m cống chính, nạo vét 16.688 m kè bờ, xây dựng 5 trạm bơm tiêu, mở rộng nhà máy xử lý nước thải lên 24.000 m³/ngày và áp dụng bê tông thấm nước.
  • Cung cấp cơ sở khoa học và công cụ mô hình tin cậy phục vụ công tác quy hoạch, quản lý và tối ưu hóa vốn đầu tư hạ tầng thoát nước cho chính quyền địa phương và các dự án quốc tế.

Kế hoạch triển khai các giải pháp hạ tầng cần được ưu tiên hoàn thiện trước năm 2030 cho các tuyến cống lõi và tiếp tục mở rộng quản lý số hóa thông minh đến năm 2050. Các nhà quản lý, kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm có thể tham khảo toàn văn công trình luận văn thạc sĩ để áp dụng bộ thông số và quy trình mô phỏng SWMM chi tiết cho các bài toán thoát nước đô thị tương đồng.