Tổng quan nghiên cứu

Ngập lụt đô thị tại Hà Nội ngày càng trở nên nghiêm trọng, đặc biệt tại quận Cầu Giấy, do hệ thống tiêu thoát nước không theo kịp tốc độ đô thị hóa nhanh chóng và biến đổi khí hậu gây ra các trận mưa lớn vượt tần suất thiết kế. Hà Nội có lượng mưa trung bình năm từ 1.671 mm đến 2.025 mm, với các trận mưa lịch sử như năm 2008 gây thiệt hại kinh tế lên đến khoảng 3.000 tỷ đồng, ảnh hưởng đến hàng nghìn hộ dân và diện tích canh tác lớn. Mục tiêu nghiên cứu là mô phỏng hệ thống thoát nước đô thị quận Cầu Giấy, đánh giá năng lực tiêu thoát nước hiện trạng và đề xuất các giải pháp giảm thiểu ngập lụt phù hợp với phát triển kinh tế - xã hội. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại quận Cầu Giấy, một trong những cửa ngõ quan trọng của Hà Nội, với địa hình thấp, hệ thống thoát nước chưa đồng bộ và thường xuyên xảy ra ngập úng khi mưa lớn. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ quản lý đô thị, giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt và nâng cao chất lượng sống của người dân.

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: Tính toán lượng nước mưa hình thành dòng chảy trên lưu vực và mô phỏng thủy lực trong hệ thống cống thoát nước, kết hợp mô hình thủy văn và thủy lực.
  • Mô hình thủy lực một chiều MIKE 11: Giải hệ phương trình Saint-Venant để mô phỏng dòng chảy không ổn định trong mạng lưới sông, kênh và hệ thống cống, tính toán lưu lượng và mực nước tại các vị trí.
  • Mô hình thủy lực hai chiều MIKE 21: Mô phỏng dòng chảy tràn trên bề mặt theo hai chiều không gian, mô tả vận tốc và mực nước trên hệ tọa độ Decac.
  • Mô hình tích hợp MIKE FLOOD: Kết hợp 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.
  • Công cụ GIS (ArcGIS): Hỗ trợ xử lý, phân tích và biểu diễn dữ liệu không gian, xây dựng bản đồ chuyên đề ngập lụt và quản lý dữ liệu địa lý.

Các khái niệm chính bao gồm: lưu vực thu nước, hệ số không thấm, dòng chảy bề mặt, mô hình thủy lực, và bản đồ ngập lụt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp các phương pháp:

  • Thu thập dữ liệu: Số liệu khí tượng thủy văn (lượng mưa, mực nước), đặc điểm hệ thống thoát nước (kích thước cống, cao độ hố ga), địa hình tỷ lệ 1:10.000, và vết ngập thực tế tại quận Cầu Giấy.
  • Phân tích thống kê: Xử lý số liệu mưa, ngập lụt để xác định đặc trưng và xu hướng.
  • Mô hình toán: Thiết lập và hiệu chỉnh mô hình MIKE FLOOD dựa trên dữ liệu thực tế trận mưa ngày 29-30/04/2019, kiểm định mô hình với trận mưa 01-04/08/2019.
  • Phương pháp chuyên gia: Tham khảo ý kiến các chuyên gia trong lĩnh vực cấp thoát nước để đánh giá kết quả mô phỏng và xây dựng kịch bản giải pháp.
  • Phương pháp điều tra thực địa: Khảo sát hiện trạng hệ thống thoát nước, đo đạc cao độ, kiểm tra các điểm ngập.
  • Sử dụng GIS: Xây dựng bản đồ ngập lụt, phân tích không gian và hỗ trợ trực quan hóa kết quả mô phỏng.

Cỡ mẫu dữ liệu bao gồm toàn bộ hệ thống thoát nước và các trận mưa lớn trong năm 2019, lựa chọn phương pháp phân tích mô hình thủy lực kết hợp GIS nhằm đảm bảo độ chính xác và khả năng ứng dụng thực tiễn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng ngập lụt quận Cầu Giấy: Trận mưa ngày 29-30/04/2019 gây ngập sâu từ 30 cm đến 100 cm tại nhiều điểm như phố Hoa Bằng, ngõ 35 phố Hoa Bằng, kéo dài nhiều giờ, ảnh hưởng đến sinh hoạt của người dân. Trận mưa 03/08/2019 với lượng mưa 100-300 mm cũng gây ngập sâu đến 1 m tại phố Hoa Bằng, nước rút chậm do hệ thống thoát nước chưa đồng bộ.

  2. Hiệu năng hệ thống thoát nước: Mô hình MIKE FLOOD cho thấy hệ thống cống hiện tại chỉ đáp ứng được các trận mưa có cường độ dưới 300 mm/2 ngày. Khi lượng mưa vượt quá, hệ thống không kịp tiêu thoát, gây ngập úng diện rộng. Kết quả mô phỏng so sánh với số liệu thực tế cho thấy sai số độ sâu ngập dưới 10%, khẳng định độ tin cậy của mô hình.

  3. Ảnh hưởng của địa hình và đô thị hóa: Địa hình thấp, độ dốc nhỏ của sông Tô Lịch và sự bê tông hóa diện tích lớn làm tăng hệ số không thấm, dẫn đến dòng chảy bề mặt tập trung nhanh, gây quá tải hệ thống thoát nước. Diện tích mặt nước tự nhiên giảm hơn 64% trong 10 năm qua làm giảm khả năng điều tiết nước mưa.

  4. Tác động của biến đổi khí hậu: Các trận mưa lớn vượt tần suất thiết kế ngày càng xuất hiện nhiều, làm gia tăng nguy cơ ngập lụt. Ví dụ, trận mưa năm 2008 với tổng lượng mưa 350-550 mm đã gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của ngập lụt là sự không đồng bộ và xuống cấp của hệ thống tiêu thoát nước, kết hợp với tốc độ đô thị hóa nhanh và biến đổi khí hậu làm tăng lượng nước mưa không thể thấm xuống đất. Kết quả mô phỏng mô hình MIKE FLOOD phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về mô hình thủy lực đô thị, cho phép đánh giá chi tiết các điểm ngập và đề xuất giải pháp kỹ thuật. So sánh với các nghiên cứu trong nước cho thấy, việc ứng dụng mô hình tích hợp và GIS giúp nâng cao hiệu quả quản lý và dự báo ngập lụt. Biểu đồ độ sâu ngập và bản đồ phân bố ngập lụt được xây dựng từ mô hình giúp trực quan hóa mức độ ảnh hưởng và hỗ trợ ra quyết định.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng kích thước cống thoát nước tại các tuyến phố Hoa Bằng và Phùng Chí Kiên nhằm nâng cao năng lực tiêu thoát, giảm thiểu ngập úng trong vòng 2 năm tới, do Xí nghiệp thoát nước số 2 phối hợp với UBND quận Cầu Giấy thực hiện.

  2. Lắp đặt hệ thống máy bơm tiêu cục bộ tại các điểm ngập sâu như phố Hoa Bằng để tăng khả năng thoát nước nhanh trong các trận mưa lớn, dự kiến hoàn thành trong 1 năm, do đơn vị quản lý hạ tầng đô thị triển khai.

  3. Cải tạo và nâng cấp hệ thống cống hiện hữu, bao gồm nạo vét, sửa chữa các hố ga bị tắc nghẽn, đảm bảo thông thoáng dòng chảy, thực hiện liên tục hàng năm nhằm duy trì hiệu quả hệ thống.

  4. Xây dựng bản đồ ngập lụt và hệ thống cảnh báo sớm dựa trên mô hình MIKE FLOOD kết hợp GIS, giúp các cơ quan quản lý và người dân chủ động ứng phó, triển khai trong 3 năm tới, do Sở NN&PTNT và Trung tâm khí tượng thủy văn phối hợp thực hiện.

  5. Quản lý quy hoạch đô thị đồng bộ, hạn chế bê tông hóa diện tích lớn, bảo tồn các vùng mặt nước tự nhiên để tăng khả năng thấm nước, giảm áp lực lên hệ thống thoát nước, cần sự phối hợp của các ban ngành liên quan trong quy hoạch phát triển thành phố.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý đô thị và phòng chống thiên tai: Sử dụng kết quả mô phỏng và bản đồ ngập lụt để lập kế hoạch phòng chống ngập, nâng cấp hạ tầng thoát nước, giảm thiểu thiệt hại do ngập úng.

  2. Các nhà quy hoạch và thiết kế hạ tầng cấp thoát nước: Áp dụng mô hình MIKE FLOOD và GIS trong thiết kế hệ thống thoát nước mới hoặc cải tạo hệ thống hiện có, đảm bảo tính khoa học và hiệu quả.

  3. Các nhà nghiên cứu và học viên chuyên ngành cấp thoát nước, môi trường đô thị: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình toán và kết quả phân tích để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về ngập lụt đô thị.

  4. Cộng đồng dân cư và tổ chức xã hội: Nắm bắt thông tin về các khu vực nguy cơ ngập lụt, tham gia vào các hoạt động phòng chống và ứng phó kịp thời khi có cảnh báo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao quận Cầu Giấy thường xuyên bị ngập lụt?
    Nguyên nhân chính là địa hình thấp, hệ thống thoát nước chưa đồng bộ, kết hợp với tốc độ đô thị hóa nhanh làm tăng diện tích bê tông hóa, giảm khả năng thấm nước, cùng với các trận mưa lớn vượt tần suất thiết kế.

  2. Mô hình MIKE FLOOD có ưu điểm gì trong nghiên cứu ngập lụt?
    MIKE FLOOD tích hợp mô hình thủy văn và thủy lực 1D, 2D, cho phép mô phỏng chi tiết dòng chảy trong cống và trên bề mặt, kết hợp với GIS giúp trực quan hóa kết quả, hỗ trợ đánh giá và đề xuất giải pháp hiệu quả.

  3. Các giải pháp đề xuất có thể giảm ngập lụt trong bao lâu?
    Các giải pháp kỹ thuật như tăng kích thước cống, lắp máy bơm có thể giảm ngập trong vòng 1-2 năm, trong khi các giải pháp quy hoạch và cảnh báo sớm cần thời gian dài hơn, khoảng 3 năm trở lên để phát huy hiệu quả.

  4. Làm thế nào để kiểm định độ chính xác của mô hình?
    Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định bằng cách so sánh kết quả mô phỏng với số liệu thực tế các trận mưa lớn năm 2019, sai số độ sâu ngập dưới 10%, đảm bảo độ tin cậy cho các kịch bản mô phỏng tiếp theo.

  5. Tác động của biến đổi khí hậu đến ngập lụt đô thị như thế nào?
    Biến đổi khí hậu làm tăng tần suất và cường độ các trận mưa lớn, vượt thiết kế hệ thống thoát nước hiện tại, gây ngập lụt diện rộng và kéo dài, đòi hỏi phải có các giải pháp thích ứng và nâng cấp hạ tầng phù hợp.

Kết luận

  • Mô hình toán tích hợp MIKE FLOOD kết hợp GIS là công cụ hiệu quả để mô phỏng và đánh giá ngập lụt đô thị tại quận Cầu Giấy.
  • Hệ thống thoát nước hiện tại chưa đáp ứng được các trận mưa lớn vượt tần suất thiết kế, dẫn đến ngập úng diện rộng và kéo dài.
  • Địa hình thấp, đô thị hóa nhanh và biến đổi khí hậu là các nguyên nhân chính làm gia tăng nguy cơ ngập lụt.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý đồng bộ nhằm nâng cao năng lực tiêu thoát nước và giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt.
  • Cần triển khai các bước tiếp theo gồm hoàn thiện bản đồ ngập lụt, xây dựng hệ thống cảnh báo sớm và nâng cấp hạ tầng thoát nước trong vòng 1-3 năm tới để ứng phó hiệu quả với ngập lụt đô thị.

Hành động ngay hôm nay để bảo vệ môi trường sống và phát triển bền vững cho quận Cầu Giấy và thành phố Hà Nội.