Tổng quan nghiên cứu

Ngập lụt đô thị đang trở thành vấn đề cấp bách tại nhiều thành phố lớn, trong đó có Hà Nội, với tốc độ đô thị hóa nhanh và biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp. Hà Nội có lượng mưa trung bình năm từ 1.671 mm đến 2.025 mm, với các trận mưa lớn vượt tần suất thiết kế, gây ra ngập úng nghiêm trọng. Quận Cầu Giấy, một quận trung tâm của Hà Nội, thường xuyên chịu ảnh hưởng bởi ngập lụt, đặc biệt trong các trận mưa lớn như ngày 29-30/04/2019 và 03/08/2019, với độ sâu ngập từ 0,3 đến 1 mét, ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống người dân và hoạt động kinh tế xã hội.

Mục tiêu chính của luận văn là mô phỏng hệ thống tiêu thoát nước đô thị tại quận Cầu Giấy, đánh giá năng lực tiêu thoát nước hiện trạng và đề xuất các giải pháp giảm thiểu ngập lụt. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào quận Cầu Giấy, thuộc địa bàn quản lý của Xí nghiệp thoát nước số 2, với dữ liệu thu thập từ các trận mưa lớn năm 2019. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quy hoạch, quản lý và vận hành hệ thống thoát nước, góp phần giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt gây ra, nâng cao chất lượng sống và phát triển bền vững đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy văn đô thị hiện đại, trong đó nổi bật là:

  • Mô hình thủy văn đô thị MIKE URBAN: Mô hình tích hợp thủy văn và thủy lực, mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy từ lượng mưa và dòng chảy trong hệ thống cống thoát nước. MIKE URBAN sử dụng phương trình bảo toàn khối lượng và phương trình chuyển động để tính toán lưu lượng và mực nước trong mạng lưới.

  • Mô hình thủy lực một chiều MIKE 11: Mô phỏng dòng chảy không ổn định trong các hệ thống sông, kênh và mạng lưới cống, dựa trên hệ phương trình Saint-Venant, giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn 6 điểm.

  • Mô hình thủy lực hai chiều MIKE 21: Mô phỏng dòng chảy tràn trên bề mặt đất, sử dụng hệ phương trình Navier-Stokes rút gọn, cho phép mô phỏng vận tốc và mực nước theo hai chiều không gian.

  • Mô hình kết hợp MIKE FLOOD: Kết nối mô hình MIKE URBAN, MIKE 11 và MIKE 21 để mô phỏng toàn diện quá trình ngập lụt đô thị, từ dòng chảy trong cống đến dòng chảy tràn trên mặt đất.

Các khái niệm chính bao gồm: lưu vực thu nước, hệ số không thấm, mực nước ngập, lưu lượng dòng chảy, và hệ thống tiêu thoát nước đô thị.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng kết hợp các phương pháp nghiên cứu sau:

  • Phương pháp kế thừa: Thu thập và phân tích các kết quả nghiên cứu trước đây, các quy định pháp luật và quy hoạch thoát nước của thành phố Hà Nội và quận Cầu Giấy.

  • Phương pháp điều tra thu thập và đánh giá: Thu thập dữ liệu khí tượng thủy văn (lượng mưa, mực nước), khảo sát thực địa hệ thống cống thoát nước, đo đạc cao độ, kiểm tra hiện trạng ngập lụt.

  • Phương pháp phân tích tổng hợp: Kết hợp các yếu tố kỹ thuật, kinh tế, xã hội để đánh giá toàn diện tình trạng tiêu thoát nước và ngập lụt.

  • Phương pháp chuyên gia: Tham vấn ý kiến các chuyên gia trong lĩnh vực cấp thoát nước để đánh giá kết quả mô phỏng và đề xuất giải pháp.

  • Phương pháp mô hình toán: Sử dụng bộ mô hình MIKE (MIKE URBAN, MIKE 11, MIKE 21, MIKE FLOOD) để thiết lập mô hình thủy văn và thủy lực, mô phỏng quá trình ngập lụt. Dữ liệu đầu vào gồm số liệu mưa trận 29-30/04/2019 (hiệu chỉnh mô hình) và trận mưa 01-04/08/2019 (kiểm định mô hình). Cỡ mẫu dữ liệu bao gồm các trạm khí tượng thủy văn trong khu vực và số liệu thực địa về hệ thống cống.

  • Công cụ GIS (ArcGIS): Hỗ trợ xử lý, phân tích và biểu diễn dữ liệu không gian, xây dựng bản đồ ngập lụt chuyên đề.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2019, tập trung vào thu thập dữ liệu, thiết lập mô hình, hiệu chỉnh, kiểm định và mô phỏng các kịch bản ngập lụt.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng ngập lụt quận Cầu Giấy: Mô phỏng trận mưa ngày 29-30/04/2019 cho thấy nhiều vị trí ngập sâu từ 0,2 đến 0,5 m, đặc biệt tại phố Hoa Bằng với độ sâu ngập lên đến 1 m, kéo dài nhiều giờ. Kết quả mô hình trùng khớp với quan trắc thực tế, sai số dưới 10%.

  2. Năng lực tiêu thoát nước hiện tại: Hệ thống cống thoát nước tại quận Cầu Giấy chưa đáp ứng được lưu lượng mưa lớn, đặc biệt trong các khu vực có địa hình thấp và mật độ xây dựng cao. Mô hình MIKE URBAN cho thấy lưu lượng dòng chảy vượt quá khả năng tiêu thoát của hệ thống từ 15-25% trong các trận mưa lớn.

  3. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và đô thị hóa: Tốc độ đô thị hóa nhanh làm tăng diện tích không thấm nước lên khoảng 70%, làm giảm khả năng thấm nước tự nhiên, tăng dòng chảy bề mặt và áp lực lên hệ thống thoát nước. Các trận mưa lớn có tần suất xuất hiện tăng lên, gây ngập lụt nghiêm trọng hơn so với thiết kế ban đầu.

  4. Hiệu quả các giải pháp mô phỏng: Việc tăng kích thước một số tuyến cống chính trên phố Hoa Bằng và Phùng Chí Kiến có thể giảm độ sâu ngập trung bình từ 0,5 m xuống còn 0,2 m, giảm thời gian ngập từ 4 giờ xuống còn 1,5 giờ. Lắp đặt trạm bơm tại phố Hoa Bằng giúp tăng khả năng tiêu thoát nước lên 30%, giảm ngập cục bộ hiệu quả.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của ngập lụt là sự không đồng bộ giữa tốc độ đô thị hóa và năng lực hệ thống thoát nước, cùng với biến đổi khí hậu làm gia tăng cường độ và tần suất mưa lớn. Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình MIKE FLOOD là công cụ hiệu quả, cho phép mô phỏng chi tiết quá trình dòng chảy trong hệ thống cống và dòng chảy tràn trên mặt đất, giúp đánh giá chính xác hiện trạng ngập lụt.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả phù hợp với xu hướng gia tăng ngập lụt đô thị do áp lực phát triển và biến đổi khí hậu. Việc sử dụng mô hình kết hợp thủy văn và thủy lực cùng GIS giúp cung cấp bản đồ ngập lụt chi tiết, hỗ trợ công tác quản lý và quy hoạch.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh độ sâu ngập trước và sau khi áp dụng giải pháp, bản đồ phân bố ngập lụt theo các kịch bản, và bảng tổng hợp hiệu quả các phương án cải tạo hệ thống thoát nước.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường nâng cấp hệ thống cống thoát nước: Mở rộng kích thước các tuyến cống chính tại các điểm ngập trọng yếu như phố Hoa Bằng, Phùng Chí Kiến trong vòng 2 năm tới, nhằm tăng khả năng tiêu thoát nước lên ít nhất 25%.

  2. Lắp đặt và vận hành trạm bơm tiêu cục bộ: Xây dựng trạm bơm tại các khu vực thấp trũng, đặc biệt tại phố Hoa Bằng, để bơm nước ra hệ thống thoát nước chính, giảm ngập cục bộ trong vòng 1 năm.

  3. Ứng dụng công nghệ GIS và mô hình toán trong quản lý: Thiết lập hệ thống bản đồ ngập lụt và cảnh báo sớm dựa trên mô hình MIKE FLOOD kết hợp GIS, phục vụ công tác giám sát và ra quyết định phòng chống ngập lụt, triển khai trong 6 tháng.

  4. Quản lý và kiểm soát quy hoạch đô thị: Kiểm soát chặt chẽ việc sử dụng đất, hạn chế bê tông hóa diện tích không thấm nước, tăng cường các khu vực thấm nước tự nhiên, thực hiện trong kế hoạch phát triển đô thị 5 năm tới.

  5. Tuyên truyền và nâng cao nhận thức cộng đồng: Tổ chức các chương trình đào tạo, hướng dẫn người dân về phòng chống ngập lụt, sử dụng hiệu quả hệ thống thoát nước, giảm thiểu rác thải gây tắc nghẽn cống, thực hiện liên tục hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý đô thị và thoát nước: Sở Xây dựng, Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Hà Nội, các đơn vị quản lý thoát nước quận Cầu Giấy có thể sử dụng kết quả để lập kế hoạch nâng cấp hệ thống thoát nước và phòng chống ngập lụt.

  2. Các nhà quy hoạch và thiết kế hạ tầng đô thị: Các công ty tư vấn, thiết kế hạ tầng có thể áp dụng mô hình và phương pháp nghiên cứu để thiết kế hệ thống thoát nước phù hợp với điều kiện thực tế và dự báo biến đổi khí hậu.

  3. Các nhà nghiên cứu và học viên chuyên ngành cấp thoát nước, môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp mô hình hóa và dữ liệu thực tế quý giá cho các nghiên cứu tiếp theo về ngập lụt đô thị.

  4. Cộng đồng dân cư và tổ chức xã hội: Người dân, các tổ chức cộng đồng có thể hiểu rõ hơn về nguyên nhân, tác động của ngập lụt và các biện pháp phòng tránh, từ đó chủ động ứng phó và tham gia bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao quận Cầu Giấy thường xuyên bị ngập lụt?
    Nguyên nhân chính là hệ thống thoát nước chưa đáp ứng được lưu lượng mưa lớn do tốc độ đô thị hóa nhanh, diện tích không thấm nước tăng cao và địa hình thấp trũng. Các trận mưa lớn vượt tần suất thiết kế cũng làm hệ thống quá tải.

  2. Mô hình MIKE FLOOD có ưu điểm gì trong nghiên cứu ngập lụt?
    MIKE FLOOD kết hợp mô hình thủy văn đô thị, thủy lực một chiều và hai chiều, cho phép mô phỏng chi tiết dòng chảy trong cống và trên bề mặt, giúp đánh giá chính xác hiện trạng ngập lụt và hiệu quả các giải pháp kỹ thuật.

  3. Các giải pháp đề xuất có thể giảm ngập lụt hiệu quả đến mức nào?
    Theo mô phỏng, việc tăng kích thước cống và lắp đặt trạm bơm có thể giảm độ sâu ngập trung bình từ 0,5 m xuống còn 0,2 m và giảm thời gian ngập từ 4 giờ xuống còn 1,5 giờ, cải thiện đáng kể khả năng tiêu thoát nước.

  4. Làm thế nào để ứng dụng GIS trong quản lý ngập lụt?
    GIS giúp xây dựng bản đồ ngập lụt chi tiết, phân tích không gian, theo dõi diễn biến ngập lụt theo thời gian thực, hỗ trợ ra quyết định và cảnh báo sớm, từ đó nâng cao hiệu quả quản lý và phòng chống ngập.

  5. Biến đổi khí hậu ảnh hưởng thế nào đến ngập lụt đô thị?
    Biến đổi khí hậu làm tăng cường độ và tần suất các trận mưa lớn, gây áp lực lớn lên hệ thống thoát nước hiện có, làm gia tăng nguy cơ ngập lụt và thiệt hại kinh tế xã hội nếu không có các biện pháp thích ứng kịp thời.

Kết luận

  • Luận văn đã mô phỏng thành công hiện trạng ngập lụt quận Cầu Giấy bằng bộ mô hình MIKE FLOOD, khẳng định độ tin cậy qua so sánh với số liệu thực tế.
  • Phân tích chỉ ra hệ thống thoát nước hiện tại chưa đáp ứng được lưu lượng mưa lớn, đặc biệt trong bối cảnh đô thị hóa nhanh và biến đổi khí hậu.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật như tăng kích thước cống, lắp đặt trạm bơm, ứng dụng GIS và kiểm soát quy hoạch nhằm giảm thiểu ngập lụt hiệu quả.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quy hoạch, quản lý và vận hành hệ thống thoát nước đô thị tại Hà Nội.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực hiện các giải pháp đề xuất, mở rộng nghiên cứu sang các quận khác và phát triển hệ thống cảnh báo ngập lụt thời gian thực.

Hành động ngay hôm nay để bảo vệ đô thị khỏi ngập lụt – hãy áp dụng các giải pháp khoa học và công nghệ tiên tiến để xây dựng thành phố bền vững!