I. Tổng quan mô hình quản lý nước mưa trong bối cảnh đô thị hóa
Quá trình đô thị hóa nhanh chóng tại các quốc gia đang phát triển, bao gồm Việt Nam, đã tạo ra những áp lực chưa từng có lên hệ thống hạ tầng kỹ thuật. Trong đó, quản lý nước mưa đô thị là một trong những thách thức lớn nhất. Các phương pháp truyền thống tập trung vào việc thu gom và xả nhanh nước mưa ra khỏi khu vực đô thị thông qua hệ thống cống rãnh. Tuy nhiên, cách tiếp cận này đã bộc lộ nhiều hạn chế nghiêm trọng. Nó không chỉ làm gia tăng nguy cơ giảm ngập úng đô thị ở vùng hạ lưu mà còn gây ra tình trạng ô nhiễm nước mặt do cuốn theo các chất bẩn từ bề mặt đường phố, khu công nghiệp. Bối cảnh này đòi hỏi một sự thay đổi trong tư duy, xem nước mưa không phải là chất thải cần loại bỏ, mà là một nguồn tài nguyên cần được quản lý một cách bền vững. Các mô hình quản lý nước mưa hiện đại ra đời nhằm giải quyết những bất cập này, hướng tới mục tiêu tích hợp đa chức năng: kiểm soát lũ lụt, cải thiện chất lượng nước, tăng cường đa dạng sinh học và nâng cao giá trị cảnh quan đô thị. Những phương pháp này là nền tảng cho sự phát triển của một đô thị có khả năng chống chịu và thích ứng biến đổi khí hậu.
1.1. Hạn chế của hệ thống thoát nước đô thị truyền thống
Hệ thống thoát nước truyền thống được thiết kế với mục tiêu duy nhất là vận chuyển nước mưa càng nhanh càng tốt ra khỏi khu dân cư. Cách tiếp cận này sử dụng chủ yếu các đường cống bê tông hóa, làm tăng tốc độ dòng chảy và tập trung lưu lượng lớn về hạ lưu trong thời gian ngắn. Điều này trực tiếp gây ra tình trạng quá tải cho hệ thống thoát nước hiện hữu và làm trầm trọng thêm các trận ngập lụt. Nghiên cứu tại các đô thị lớn cho thấy, việc bê tông hóa bề mặt làm giảm đáng kể khả năng thấm tự nhiên của đất, khiến lượng nước chảy tràn bề mặt tăng đột biến. Hơn nữa, hệ thống này không có cơ chế xử lý nước mưa chảy tràn, khiến toàn bộ chất ô nhiễm như kim loại nặng, dầu mỡ, và rác thải bị cuốn thẳng ra sông, hồ, gây suy thoái nghiêm trọng chất lượng nguồn nước mặt.
1.2. Xu hướng thiết kế đô thị nhạy cảm với nước WSUD
Để khắc phục những nhược điểm trên, phương pháp Thiết kế đô thị nhạy cảm với nước (WSUD) đã được áp dụng rộng rãi tại nhiều quốc gia phát triển như Úc. Theo tài liệu nghiên cứu về quản lý nước mưa tại Queensland, WSUD là "phương pháp tiếp cận trong thiết kế và quy hoạch đô thị mà việc quản lý nước mưa, nước ngầm và nước thải đô thị được phối hợp chặt chẽ". Mục tiêu của WSUD là giảm thiểu tác động của quá trình phát triển đô thị đến chu trình nước tự nhiên. Thay vì tập trung xả thải, WSUD thúc đẩy các giải pháp tại nguồn như tăng cường khả năng thấm, lưu trữ, xử lý và tái sử dụng nước mưa. Cách tiếp cận này không chỉ giúp quản lý rủi ro ngập lụt mà còn biến nước mưa thành một nguồn tài nguyên giá trị, góp phần xây dựng các đô thị xanh và bền vững hơn.
II. Thách thức quản lý nước mưa Từ ngập úng đến ô nhiễm
Đô thị hóa mang lại sự phát triển kinh tế nhưng cũng đồng thời tạo ra hai thách thức lớn đối với quản lý nước mưa: gia tăng ngập lụt và suy thoái chất lượng nước. Sự thay đổi mục đích sử dụng đất từ bề mặt thấm tự nhiên (đất, thảm thực vật) sang các bề mặt không thấm nước (bê tông, nhựa đường) là nguyên nhân cốt lõi. Quá trình này làm thay đổi đáng kể đặc tính thủy văn của một lưu vực. Nước mưa không còn thấm xuống đất để bổ sung cho nguồn nước ngầm mà thay vào đó, nhanh chóng trở thành dòng chảy bề mặt. Điều này dẫn đến đỉnh lũ cao hơn và thời gian tập trung nước ngắn hơn, gây quá tải cho hạ tầng thoát nước. Bên cạnh đó, nước mưa chảy tràn trên các bề mặt đô thị sẽ cuốn theo một lượng lớn chất ô nhiễm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, dòng chảy đầu trận mưa thường chứa nồng độ chất ô nhiễm cao nhất, bao gồm chất rắn lơ lửng (TSS), nitơ (TN), và phốt pho (TP). Việc không kiểm soát được cả lưu lượng và chất lượng nước mưa đang là một bài toán cấp bách, đòi hỏi các giải pháp toàn diện trong quy hoạch hạ tầng kỹ thuật đô thị.
2.1. Gia tăng nguy cơ ngập úng đô thị do bê tông hóa
Bê tông hóa là hệ quả tất yếu của phát triển đô thị, làm gia tăng hệ số dòng chảy. Một khu vực trước đây là đất nông nghiệp có thể chỉ tạo ra 10-20% lượng nước mưa chảy tràn, nhưng sau khi được chuyển đổi thành khu thương mại hoặc dân cư mật độ cao, con số này có thể lên tới 75-95%. Sự gia tăng đột ngột về khối lượng và tốc độ dòng chảy này vượt xa năng lực thiết kế của các hệ thống cống rãnh cũ, dẫn đến tình trạng ngập úng cục bộ xảy ra thường xuyên hơn và nghiêm trọng hơn, ngay cả sau những trận mưa không quá lớn. Đây là một trong những vấn đề nan giải nhất mà các nhà quản lý đô thị đang phải đối mặt.
2.2. Vấn đề ô nhiễm nước mặt từ dòng chảy tràn đô thị
Dòng chảy tràn từ các khu vực đô thị là một nguồn gây ô nhiễm nước mặt đáng kể. Các chất ô nhiễm tích tụ trên đường phố, mái nhà, và các bãi đỗ xe trong thời gian khô hạn sẽ bị cuốn trôi khi có mưa. Luận văn nghiên cứu tại khu vực Bắc MacLean (Úc) đã chỉ ra rằng quá trình đô thị hóa làm gia tăng đáng kể hàm lượng các chất ô nhiễm chính như TSS (chất rắn lơ lửng), TP (tổng phốt pho) và TN (tổng nitơ) trong nước mưa. Các chất này khi đổ ra sông hồ sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng, làm giảm lượng oxy hòa tan trong nước, hủy hoại hệ sinh thái thủy sinh và ảnh hưởng tiêu cực đến nguồn nước cấp cho sinh hoạt.
III. Hướng dẫn các mô hình thoát nước đô thị bền vững SUDS
Để đối phó với các thách thức do đô thị hóa gây ra, các mô hình thoát nước đô thị bền vững đã được phát triển và áp dụng thành công trên toàn thế giới. Các mô hình này, với những tên gọi khác nhau như Hệ thống thoát nước đô thị bền vững (SUDS) ở châu Âu, Phát triển tác động thấp (LID) ở Mỹ, hay Thiết kế đô thị nhạy cảm với nước (WSUD) ở Úc, đều chia sẻ một triết lý chung: mô phỏng lại chu trình thủy văn tự nhiên trong môi trường đô thị. Thay vì tập trung nước vào các đường ống lớn, các giải pháp này phân tán việc quản lý nước mưa ra nhiều công trình quy mô nhỏ, tích hợp hài hòa với cảnh quan. Mục tiêu chính là làm chậm dòng chảy, tăng cường khả năng thấm, lọc và bay hơi tại nguồn. Các giải pháp này không chỉ hiệu quả trong việc giảm ngập úng đô thị mà còn góp phần cải thiện vi khí hậu, tạo không gian xanh và nâng cao chất lượng sống cho cư dân. Việc lựa chọn và kết hợp các giải pháp phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của từng khu vực như địa hình, khí hậu và mục tiêu quản lý.
3.1. Nguyên tắc cốt lõi của phát triển tác động thấp LID
Phát triển tác động thấp (LID) là một cách tiếp cận quy hoạch và thiết kế nhằm bảo tồn và sử dụng các đặc điểm tự nhiên của khu vực để quản lý nước mưa. Triết lý của LID là quản lý nước mưa tại nơi nó rơi xuống, thông qua việc sử dụng các hệ thống thủy văn phân tán, quy mô nhỏ. Các kỹ thuật của LID tập trung vào việc bảo tồn thảm thực vật, giảm thiểu diện tích bề mặt không thấm, và kéo dài thời gian tập trung dòng chảy. Điều này giúp giảm đỉnh lũ, tăng cường bổ cập nước ngầm và loại bỏ chất ô nhiễm một cách tự nhiên, giảm áp lực đáng kể cho hạ tầng thoát nước tập trung.
3.2. Vai trò của hạ tầng xanh green infrastructure đa chức năng
Hạ tầng xanh (green infrastructure) là mạng lưới các không gian xanh tự nhiên và bán tự nhiên được quy hoạch và quản lý để cung cấp một loạt các dịch vụ hệ sinh thái. Trong quản lý nước mưa, hạ tầng xanh bao gồm các công trình như công viên, mái nhà xanh, và hành lang cây xanh. Các yếu tố này hoạt động như những "miếng bọt biển" tự nhiên, giúp hấp thụ và lọc nước mưa. Việc tích hợp hạ tầng xanh vào quy hoạch đô thị không chỉ giải quyết vấn đề thoát nước mà còn mang lại nhiều lợi ích kép như giảm hiệu ứng đảo nhiệt đô thị, cải thiện chất lượng không khí, và tạo ra các không gian giải trí, thư giãn cho cộng đồng.
IV. Top giải pháp công trình xử lý nước mưa chảy tràn hiệu quả
Việc triển khai các mô hình quản lý nước mưa bền vững đòi hỏi áp dụng các giải pháp công trình cụ thể và hiệu quả. Các giải pháp này được thiết kế để kiểm soát cả lưu lượng và chất lượng nước mưa ngay tại nguồn hoặc gần nguồn phát sinh. Chúng hoạt động dựa trên các quá trình tự nhiên như thấm, lọc, bay hơi và lắng đọng sinh học. Sự kết hợp thông minh giữa các công trình này có thể tạo thành một chuỗi xử lý hoàn chỉnh, đảm bảo nước mưa trước khi xả ra môi trường đạt các tiêu chuẩn về chất lượng. Những công nghệ này ngày càng trở nên phổ biến trong quy hoạch hạ tầng kỹ thuật đô thị hiện đại nhờ tính hiệu quả, bền vững và thẩm mỹ. Việc lựa chọn giải pháp phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như diện tích đất, loại hình phát triển, và mục tiêu giảm thiểu ô nhiễm cụ thể. Các giải pháp này không chỉ là công trình kỹ thuật mà còn là các yếu tố cảnh quan giá trị.
4.1. Ứng dụng bề mặt thấm nước và bê tông thấm nước
Một trong những giải pháp hiệu quả nhất để giảm dòng chảy bề mặt là sử dụng các loại bề mặt thấm nước. Thay vì dùng bê tông hay nhựa đường truyền thống, các vật liệu như gạch rỗng, đá cuội, hoặc bê tông thấm nước được sử dụng cho vỉa hè, bãi đỗ xe và các khu vực công cộng. Các vật liệu này cho phép nước mưa thấm trực tiếp xuống lớp đất bên dưới, làm giảm khối lượng nước chảy vào hệ thống cống và đồng thời bổ sung cho nguồn nước ngầm. Đây là giải pháp đơn giản nhưng mang lại hiệu quả cao trong việc mô phỏng lại chức năng thấm tự nhiên của đất.
4.2. Thiết kế vườn mưa rain garden và mái nhà xanh green roof
Vườn mưa (rain garden) và mái nhà xanh (green roof) là hai dạng hạ tầng xanh tiêu biểu. Vườn mưa là các vùng trũng được trồng cây có khả năng chịu ngập, được thiết kế để thu và thấm nước mưa từ mái nhà hoặc các bề mặt cứng khác. Chúng hoạt động như những hệ thống lọc sinh học nhỏ, loại bỏ hiệu quả các chất ô nhiễm. Tương tự, mái nhà xanh là lớp thảm thực vật được trồng trên mái, giúp giữ lại một lượng lớn nước mưa, làm chậm dòng chảy và giảm tải nhiệt cho tòa nhà. Cả hai giải pháp này đều mang lại giá trị thẩm mỹ cao và góp phần tăng cường đa dạng sinh học trong đô thị.
4.3. Kỹ thuật thu gom và tái sử dụng nước mưa tại nguồn
Kỹ thuật thu gom nước mưa thông qua các bể chứa tại chỗ là một giải pháp thiết thực, đặc biệt trong bối cảnh nguồn nước sạch ngày càng khan hiếm. Nước mưa thu từ mái nhà có thể được lưu trữ và sử dụng cho các mục đích không yêu cầu chất lượng nước cao như tưới cây, rửa xe, hoặc dội nhà vệ sinh. Việc tái sử dụng nước mưa không chỉ giúp giảm lượng nước chảy vào hệ thống thoát nước mà còn tiết kiệm chi phí nước sạch cho người dân. Các hệ thống này có thể được thiết kế với quy mô đa dạng, từ các bể chứa nhỏ cho hộ gia đình đến các hồ điều hòa lớn cho toàn khu đô thị.
V. Ứng dụng mô hình XP SWMM MUSIC trong quản lý nước mưa
Để thiết kế và đánh giá hiệu quả của các giải pháp quản lý nước mưa hiện đại, việc sử dụng các công cụ mô hình hóa là vô cùng cần thiết. Các mô hình toán học cho phép các kỹ sư và nhà quy hoạch mô phỏng các kịch bản khác nhau, từ đó lựa chọn phương án tối ưu nhất về kỹ thuật và chi phí. Trong nghiên cứu điển hình tại Queensland (Úc), hai mô hình hàng đầu là XP-SWMM và MUSIC đã được sử dụng kết hợp để đưa ra một giải pháp tổng thể. Mô hình XP-SWMM được dùng để phân tích thủy lực, mô phỏng lưu lượng dòng chảy và đánh giá nguy cơ ngập lụt. Trong khi đó, mô hình MUSIC chuyên về đánh giá và quản lý chất lượng nước. Sự kết hợp này cung cấp một cái nhìn toàn diện về tác động của đô thị hóa và hiệu quả của các biện pháp can thiệp, từ đó làm cơ sở cho việc ra quyết định trong quy hoạch hạ tầng kỹ thuật đô thị và đảm bảo tuân thủ các quy định về môi trường.
5.1. Mô phỏng lưu lượng và giảm ngập úng với mô hình XP SWMM
Mô hình XP-SWMM (Stormwater Management Model) là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng động lực học của dòng chảy nước mưa. Trong nghiên cứu áp dụng cho khu vực Bắc MacLean, mô hình này đã được dùng để so sánh lưu lượng đỉnh lũ giữa kịch bản hiện trạng (chưa phát triển) và kịch bản đô thị hóa. Kết quả cho thấy lưu lượng đỉnh tăng lên đáng kể sau khi đô thị hóa. Dựa trên mô phỏng, các giải pháp như bể trữ nước tại chỗ (On-site Detention - OSD) hay hồ điều hòa đã được thiết kế và tính toán để điều tiết dòng chảy, đảm bảo lưu lượng xả ra khỏi khu vực phát triển không vượt quá mức của điều kiện tự nhiên. Điều này chứng tỏ vai trò quan trọng của mô hình trong việc thiết kế các công trình giảm ngập úng đô thị.
5.2. Đánh giá chất lượng nước mưa bằng mô hình MUSIC
Mô hình MUSIC (Model for Urban Stormwater Improvement Conceptualisation) được phát triển tại Úc chuyên để mô phỏng và đánh giá hiệu quả của các biện pháp cải thiện chất lượng nước mưa. Dựa trên các thông số về sử dụng đất, mô hình này tính toán tải lượng chất ô nhiễm (TSS, TP, TN) phát sinh từ khu vực đô thị hóa. Sau đó, các công trình xử lý như hệ thống lọc sinh học (Bio-retention System) và bể lắng được đưa vào mô hình để đánh giá khả năng loại bỏ ô nhiễm. Luận văn cho thấy việc áp dụng một chuỗi các công trình xử lý theo khuyến nghị đã giúp giảm tải lượng ô nhiễm xuống dưới ngưỡng cho phép, đảm bảo tuân thủ các Hướng dẫn về Chất lượng Nước của Queensland (QWQG).
VI. Tương lai quản lý nước mưa thích ứng biến đổi khí hậu
Trong tương lai, quản lý nước mưa đô thị sẽ không chỉ là một vấn đề kỹ thuật hạ tầng mà còn là một trụ cột quan trọng trong chiến lược thích ứng biến đổi khí hậu. Các hiện tượng thời tiết cực đoan như mưa lớn, bão lũ được dự báo sẽ xảy ra thường xuyên và với cường độ mạnh hơn. Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết phải chuyển đổi từ cách tiếp cận hạ tầng "xám" (cống bê tông) sang hạ tầng "xanh-xám" kết hợp. Việc tích hợp các giải pháp thoát nước đô thị bền vững vào mọi giai đoạn của quy hoạch và phát triển đô thị sẽ là xu hướng tất yếu. Các thành phố tương lai cần được xây dựng như những "thành phố bọt biển", có khả năng thấm hút, lưu trữ và thanh lọc nước mưa một cách tự nhiên. Để đạt được điều này, cần có sự thay đổi mạnh mẽ về chính sách, các quy định pháp lý chặt chẽ hơn, cùng với việc nâng cao nhận thức của cộng đồng về vai trò và lợi ích của việc quản lý nước mưa bền vững.
6.1. Tích hợp quản lý nước mưa vào quy hoạch đô thị tổng thể
Thay vì xem xét như một hạng mục riêng lẻ, quản lý nước mưa cần được tích hợp ngay từ đầu vào các đồ án quy hoạch hạ tầng kỹ thuật đô thị và quy hoạch sử dụng đất. Mỗi dự án phát triển mới, từ khu dân cư đến khu công nghiệp, đều phải có phương án quản lý nước mưa tại chỗ, đảm bảo không làm gia tăng áp lực lên hệ thống chung. Việc lồng ghép các yếu tố của hạ tầng xanh như công viên, hồ nước, và hành lang xanh vào cấu trúc đô thị sẽ tạo ra một hệ thống đa chức năng, vừa đáp ứng nhu cầu thoát nước, vừa cải thiện môi trường sống.
6.2. Kiến nghị chính sách thúc đẩy thoát nước đô thị bền vững
Để các giải pháp thoát nước đô thị bền vững được áp dụng rộng rãi, cần có một khung chính sách đồng bộ. Chính phủ và chính quyền địa phương cần ban hành các quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật bắt buộc về quản lý nước mưa cho các dự án xây dựng. Đồng thời, cần có các cơ chế khuyến khích về tài chính (giảm thuế, hỗ trợ chi phí) cho các chủ đầu tư áp dụng công nghệ xanh. Việc xây dựng các tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chi tiết, tương tự như QUDM (Queensland Urban Drainage Manual) của Úc, sẽ giúp các kỹ sư và kiến trúc sư dễ dàng hơn trong việc thiết kế và triển khai các giải pháp này tại Việt Nam.
