Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Đông Hà, trung tâm chính trị và kinh tế của tỉnh Quảng Trị, sở hữu diện tích tự nhiên 7.295,87 ha với quy mô dân số đạt trên 84.000 người. Đô thị này đang chịu áp lực hạ tầng nặng nề từ tốc độ đô thị hóa nhanh kết hợp với biến đổi khí hậu khắc nghiệt tại dải đất hẹp miền Trung. Lượng mưa trung bình năm tại khu vực dao động từ 1.000 mm đến 2.000 mm, trong đó hơn 80% lượng mưa tập trung dồn dập vào 4 tháng mùa lũ (từ tháng 9 đến tháng 11) với tần suất 17 đến 20 ngày mưa mỗi tháng. Mạng lưới thoát nước hiện trạng toàn thành phố chỉ đạt tổng chiều dài khoảng 22 km, chủ yếu là hệ thống cống chung nước mưa và nước thải sinh hoạt với kích thước nhỏ từ 400x400 mm đến 800x800 mm. Thực trạng này gây ra hiện tượng quá tải thủy lực, ngập úng nghiêm trọng tại nhiều tuyến đường trung tâm và xả trực tiếp nước thải chưa qua xử lý ra sông Hiếu.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Hạ tầng Đô thị với đề tài "Nghiên cứu cải tạo và nâng cấp hệ thống thoát nước bền vững thành phố Đông Hà, tỉnh Quảng Trị" của tác giả Lê Đắc Vĩnh được thực hiện nhằm giải quyết triệt để tình trạng ngập lụt đô thị và ô nhiễm môi trường. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là đánh giá định lượng khả năng tiêu thoát nước của hệ thống hiện hữu, xác định chính xác các điểm nghẽn ngập úng và đề xuất phương án cải tạo công trình kết hợp giải pháp thoát nước bền vững. Phạm vi nghiên cứu chuyên sâu được xác lập trên diện tích 228,82 ha thuộc Phường 1 và vùng phụ cận – nơi có mật độ dân cư tập trung cao nhất và hạ tầng thoát nước hình thành sớm nhất thành phố. Kết quả nghiên cứu là căn cứ khoa học vững chắc giúp nâng cao hiệu quả thoát nước lên hơn 85%, giảm thiểu 90% các điểm ngập úng cục bộ và định hình khung phát triển hạ tầng bền vững cho đô thị Đông Hà đến năm 2025 và tầm nhìn 2030.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết thủy văn đô thị, thủy lực công trình ngầm và quy chuẩn kỹ thuật quốc gia TCVN 7957:2008. Khung lý thuyết kết hợp giữa phương pháp cường độ giới hạn truyền thống và mô hình động lực học tiên tiến SWMM (Storm Water Management Model). Các khái niệm then chốt bao gồm: dòng chảy mặt đô thị, chu kỳ tràn cống thiết kế P (xác định từ 2 năm đến 10 năm), hệ số dòng chảy C (dao động từ 0,65 đến 0,85 theo đặc trưng lớp phủ bề mặt), quan hệ cường độ mưa - thời gian - tần suất (IDF) và quan hệ độ sâu mưa - thời gian - tần suất (DDF).

Để mô tả chính xác quá trình vận động của nước trên lưu vực, mô hình áp dụng hệ phương trình vi phân Saint-Venant 1 chiều hoàn chỉnh cho dòng chảy sóng động lực học (Dynamic Wave Routing), phản ánh chính xác hiện tượng dòng chảy có áp và nước dềnh. Quá trình ngấm nước mưa vào các tầng đất chưa bão hòa được kiểm soát chặt chẽ thông qua phương pháp Horton và phương pháp số đường cong SCS-CN, cho phép phân tách rành mạch giữa lượng nước ngấm, lượng nước bốc hơi và lưu lượng dòng chảy tràn bề mặt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng tổ hợp các phương pháp thu thập dữ liệu thực địa, thống kê toán học và mô phỏng số lượng lớn. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ hệ thống 22 km tuyến cống hiện hữu, cao độ hố ga, mặt cắt địa hình và mạng lưới cửa xả phân bổ trên 9 tiểu khu thoát nước với tổng diện tích 228,82 ha tại Phường 1. Dữ liệu khí tượng thủy văn thứ cấp sử dụng chuỗi số liệu mưa đo đạc liên tục nhiều năm tại Trạm khí tượng Đông Hà, đặc biệt là thống kê lượng mưa 1 ngày lớn nhất và trận mưa thiết kế 72 giờ cực đoan với tần suất P = 10%.

Phương pháp chọn mẫu điển hình có chủ đích được áp dụng nhằm lựa chọn lưu vực có tính đại diện cao nhất về mật độ xây dựng, địa hình đồi dốc xen lẫn đồng bằng (cao độ biến thiên từ 3 m đến hơn 20 m). Lý do lựa chọn phần mềm mô phỏng SWMM kết hợp phương pháp cường độ giới hạn là nhằm khắc phục triệt để nhược điểm tính toán lưu lượng đỉnh tĩnh của công thức kinh nghiệm cổ điển. Mô hình SWMM cho phép mô phỏng quá trình thủy lực động theo từng bước thời gian từ 1 đến 5 phút, tái hiện trực quan diễn biến ngập lụt, kiểm tra chính xác khả năng làm việc của từng đoạn cống kép và tối ưu hóa khẩu độ thiết kế. Timeline nghiên cứu được thực hiện đồng bộ từ khâu điều tra hiện trạng, xử lý chuỗi số liệu khí hậu, thiết lập mô hình toán đến hiệu chỉnh phương án thiết kế kỹ thuật.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả mô phỏng và tính toán thủy lực đã làm sáng tỏ bức tranh toàn cảnh về những hạn chế của hệ thống thoát nước thành phố Đông Hà:

Thứ nhất, khả năng đáp ứng của mạng lưới cống hiện hữu chỉ đạt khoảng 45% nhu cầu tiêu thoát thực tế khi xuất hiện các trận mưa lớn ứng với tần suất thiết kế 10%. Hơn 55% tổng chiều dài các đoạn cống hộp và mương xây cũ có khẩu độ dưới 800 mm bị quá tải dòng chảy nghiêm trọng, gây ngập sâu từ 0,3 m đến 0,6 m tại các trục giao thông chính.

Thứ hai, trên diện tích lưu vực nghiên cứu 228,82 ha, mô hình SWMM đã xác định được 12 nút giao thoát nước trọng điểm bị ngập tràn miệng hố ga và 6 tuyến cống chính bị quá tải hoàn toàn trong trận mưa 72 giờ cực đoan. Thời gian duy trì ngập úng tại các điểm trũng kéo dài từ 45 đến 120 phút.

Thứ ba, đặc điểm địa mạo phức tạp với 44,1% diện tích là đồi bát úp (cao độ từ 5 m đến 100 m) và 55,9% diện tích là vùng đồng bằng thấp (cao độ trung bình 3 m) tạo ra độ dốc sườn đồi lớn. Nước mưa tập trung dồn dập về khu vực trũng thấp với thời gian tập trung dòng chảy rất ngắn dưới 30 phút, gây áp lực tức thời vượt quá sức tải của 80% cửa xả ven sông Hiếu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân gốc rễ của tình trạng ngập úng bắt nguồn từ việc đầu tư xây dựng thiếu đồng bộ, hệ thống cống chắp vá qua nhiều giai đoạn và thiếu tính kết nối liên hoàn. Bên cạnh đó, tình trạng bồi lắng bùn cát lâu ngày không được nạo vét đã làm suy giảm từ 20% đến 40% diện tích tiết diện thoát nước hữu ích của các tuyến cống. Ý thức bảo vệ môi trường của một bộ phận dân cư chưa cao dẫn đến tình trạng rác thải làm tắc nghẽn các cửa thu nước mặt.

So sánh giữa hai phương pháp tính toán, phương pháp cường độ giới hạn truyền thống có xu hướng phóng đại lưu lượng ở thượng lưu nhưng lại bỏ qua hiệu ứng nước dềnh và dòng chảy có áp ở hạ lưu. Ngược lại, mô hình SWMM cho kết quả phân bố lưu lượng chính xác theo thời gian thực. Toàn bộ dữ liệu ngập úng và năng lực thủy lực được trực quan hóa qua biểu đồ quan hệ lưu lượng - thời gian (Hydrograph), bảng thống kê thời gian ngập đầy của các đoạn cống và sơ đồ mặt cắt dọc mô phỏng dòng chảy từ nút A1 đến cửa xả CX1, CX2. Việc ứng dụng SWMM giúp giảm thiểu khoảng 15% đến 20% chiều dài các đoạn cống cần thay mới không cần thiết so với tính toán cổ điển, mang lại hiệu quả kinh tế vượt trội trong công tác phân kỳ đầu tư.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện định lượng, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp công trình và quản lý mang tính chiến lược:

  1. Cải tạo và nâng cấp khẩn cấp 8,5 km tuyến cống chính xung yếu: Thay thế các đoạn cống khẩu độ 400 - 800 mm hiện hữu bằng cống hộp bê tông cốt thép đôi kích thước từ 1.200x1.200 mm đến 2.000x1.500 mm tại các tuyến 1, tuyến 6 và tuyến 8-11. Mục tiêu nâng công suất thoát nước của mạng lưới thêm 60%, thực hiện trong giai đoạn 2024 - 2026 do Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng thành phố Đông Hà làm chủ đầu tư.
  2. Xây dựng hệ thống thoát nước đô thị bền vững (SUDS) kết hợp hồ điều hòa: Tiến hành nạo vét, cải tạo cảnh quan và mở rộng dung tích trữ nước của hồ Khe Mây, hồ Trung Chỉ với tổng dung tích điều tiết bổ sung đạt 350.000 m3. Bố trí vỉa hè bê tông rỗ, thảm cỏ thấm lọc trên 228,82 ha lưu vực nhằm giảm 25% lưu lượng đỉnh dòng chảy mặt, hoàn thành trước năm 2027 dưới sự chủ trì của Phòng Quản lý Đô thị.
  3. Tách riêng hoàn toàn hệ thống thoát nước mưa và nước thải sinh hoạt: Xây dựng đồng bộ mạng lưới cống bao thu gom nước thải đạt 100% tỷ lệ đấu nối tại các phân khu phát triển mới, dẫn về trạm xử lý nước thải tập trung công suất 3.000 - 5.000 m3/ngày đêm đến năm 2028, do Sở Xây dựng phối hợp với Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Trị triển khai.
  4. Hiện đại hóa công tác quản lý vận hành và giám sát thông minh: Lắp đặt hệ thống cảm biến đo mực nước tự động tại 12 nút giao xung yếu có nguy cơ ngập cao, ban hành quy chế bảo trì và nạo vét bùn cặn định kỳ 2 lần/năm trước mùa mưa bão, giao Công ty Cổ phần Môi trường và Đô thị Đông Hà vận hành thường xuyên từ năm 2024.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn sâu rộng cho các nhóm đối tượng sau:

  1. Cơ quan quản lý nhà nước và chính quyền địa phương: Cung cấp bức tranh hiện trạng chuẩn xác và cơ sở dữ liệu số hóa hạ tầng, hỗ trợ Ủy ban nhân dân thành phố Đông Hà và tỉnh Quảng Trị trong việc phê duyệt đồ án quy hoạch tổng thể thoát nước tầm nhìn đến năm 2030, 2045.
  2. Đơn vị tư vấn thiết kế và kỹ sư hạ tầng kỹ thuật: Cung cấp trọn bộ thông số khí hậu địa phương, các đường tần suất mưa DDF/IDF và quy trình mô phỏng SWMM đã được kiểm định, làm tài liệu tham khảo trực tiếp để thiết kế cống thoát nước và hồ điều hòa đô thị miền Trung.
  3. Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Là tài liệu học thuật chuyên sâu thuộc ngành Kỹ thuật Cấp thoát nước và Kỹ thuật Hạ tầng, minh họa xuất sắc phương pháp luận kết hợp giữa tiêu chuẩn TCVN 7957:2008 và mô hình mô phỏng thủy lực động lực học SWMM.
  4. Các tổ chức phát triển quốc tế và nhà tài trợ dự án: Đóng vai trò là báo cáo đánh giá kỹ thuật tin cậy để các tổ chức như Ngân hàng Phát triển Châu Á (ADB) và Ngân hàng Thế giới (WB) thẩm định, phê duyệt nguồn vốn ODA cho các dự án phát triển đô thị xanh thích ứng với biến đổi khí hậu tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

Mô hình SWMM có ưu điểm gì vượt trội so với phương pháp cường độ giới hạn truyền thống? Mô hình SWMM mô phỏng động học liên tục quá trình mưa - dòng chảy theo từng bước thời gian chi tiết từ 1 đến 5 phút, mô tả chính xác hiện tượng dòng chảy có áp, nước dềnh và tràn ngập cục bộ trên lưu vực 228,82 ha. Trong khi đó, phương pháp cường độ giới hạn chỉ tính toán được lưu lượng đỉnh tĩnh, dễ dẫn đến việc chọn sai kích thước cống và gây lãng phí 15% đến 20% chi phí đầu tư.

Tại sao thành phố Đông Hà lại bị ngập úng cục bộ dù địa hình có độ dốc tự nhiên khá lớn? Đông Hà có 44,1% diện tích là đồi dốc gò bát úp khiến nước mưa chảy tràn rất nhanh dồn về vùng đồng bằng trũng thấp chiếm 55,9% diện tích. Khi gặp các trận mưa bão lớn chiếm 80% lượng mưa cả năm, mạng lưới 22 km cống hiện trạng có tiết diện nhỏ không kịp chuyển tải lượng nước đổ về hạ lưu, tạo ra hiện tượng ngập lụt cục bộ sâu từ 0,3 m đến 0,6 m.

Mô hình thoát nước bền vững (SUDS) được áp dụng tại Đông Hà như thế nào? Nghiên cứu áp dụng nguyên lý thoát nước chậm thay vì thoát nhanh bằng cách kết hợp chuỗi giải pháp xanh. Cụ thể là tận dụng hệ thống hồ điều hòa tự nhiên như Khe Mây, Trung Chỉ để bổ sung 350.000 m3 dung tích trữ nước, kết hợp tăng cường bề mặt thấm qua thảm thực vật đô thị, giúp cắt giảm 25% đến 30% lưu lượng đỉnh tràn vào cống ngầm.

Kế hoạch phân tách nước thải và nước mưa của thành phố được định hướng ra sao? Theo định hướng quy hoạch, 100% các khu đô thị mới bắt buộc phải xây dựng hệ thống cống riêng biệt cho nước mưa và nước thải. Tại khu vực nội thị cũ, nghiên cứu đề xuất xây dựng hệ thống cống bao và giếng tách dòng để gom nước thải sinh hoạt dẫn về trạm xử lý công suất 3.000 - 5.000 m3/ngày đêm trước năm 2028 nhằm chấm dứt việc xả thải trực tiếp ra sông Hiếu.

Chuỗi dữ liệu mưa thiết kế trong luận văn được xây dựng bằng phương pháp nào? Tác giả đã thu thập chuỗi số liệu quan trắc nhiều năm tại Trạm Đông Hà, phân tích tần suất mưa 1 ngày và 3 ngày lớn nhất (trận mưa cực đoan 72 giờ ứng với tần suất 10%). Sau đó áp dụng phương pháp khối xen kẽ của Chow và phương pháp tam giác của Yen để thiết lập biểu đồ phân bố mưa động lực học làm đầu vào cho mô hình SWMM.

Kết luận

  • Luận văn đã đánh giá toàn diện và khoa học thực trạng mạng lưới thoát nước 22 km của thành phố Đông Hà, chỉ ra nguyên nhân ngập úng do quá tải khẩu độ cống và ảnh hưởng phân hóa địa hình.
  • Xây dựng thành công mô hình toán thủy lực SWMM trên lưu vực 228,82 ha tại Phường 1, phát hiện chính xác 12 nút ngập và 6 đoạn cống xung yếu dưới kịch bản mưa thiết kế cực đoan 72 giờ.
  • Đề xuất hệ thống giải pháp công trình nâng cấp 8,5 km cống chính kết hợp chuỗi hồ điều hòa 350.000 m3, nâng cao khả năng tiêu thoát nước lên hơn 85% và giảm 90% các điểm ngập úng.
  • Định hình lộ trình phân tách nước thải sinh hoạt đạt công suất xử lý 3.000 - 5.000 m3/ngày đêm đến năm 2028, bảo vệ toàn diện hệ sinh thái lưu vực sông Hiếu.
  • Kiến nghị Ủy ban nhân dân tỉnh Quảng Trị và các ban ngành liên quan sớm đưa kết quả nghiên cứu vào kế hoạch đầu tư công trung hạn giai đoạn 2024 - 2026 nhằm xây dựng thành phố Đông Hà trở thành đô thị loại II phát triển bền vững và an toàn trước thiên tai.