Nghiên cứu Xây Dựng Phương Án Cảnh Báo Ngập Úng Cho Lưu Vực Sông Kim Ngưu

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phương án cảnh báo ngập úng cho lưu vực sông Kim Ngưu. Giải pháp hiệu quả giảm thiểu rủi ro ngập lụt đô thị. Tải ngay!

• Tác giả: Quách Cao Thanh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Kiên Dũng
• Trường học: Trường đại học tài nguyên và môi trường hà nội
• Chuyên ngành: Thủy văn học
• Đề tài: Nghiên cứu xây dựng phương án cảnh báo ngập úng cho lưu vực sông Kim Ngưu
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• MỞ ĐẦU
• Tính cấp thiết của đề tài
• Mục tiêu của đề tài
• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Phương pháp nghiên cứu
• Nội dung luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGẬP LỤT ĐÔ THỊ
• 1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.2. Điều kiện địa lý tự nhiên và kinh tế - xã hội thành phố Hà Nội
• 1.2.1. Một số đặc điểm địa lý tự nhiên và tình hình ngập úng thành phố Hà Nội trong những năm gần đây
• 1.2.2. Đặc điểm kinh tế xã hội
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ TÌNH HÌNH SỐ LIỆU
• 2.1. Phương pháp nghiên cứu
• 2.1.1. Phương pháp đánh giá ngập lụt
• 2.1.2. Lựa chọn mô hình đánh giá ngập lụt
• 2.1.3. Mô hình MIKE URBAN/MIKE FLOOD
• 2.1.3.1. Mô hình MIKE URBAN
• 2.1.3.2. Mô hình MIKE FLOOD
• 2.2. Tình hình số liệu
• 2.2.1. Số liệu địa hình và số liệu hệ thống tiêu thoát nước, ngập lụt
• 2.2.2. Số liệu khí tượng thủy văn
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN CẢNH BÁO NGẬP ÚNG CHO LƯU VỰC SÔNG KIM NGƯU VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP
• 3.1. Ứng dụng mô hình MIKE URBAN mô phỏng hệ thống thoát nước Hà Nội
• 3.1.1. Xây dựng mô hình toán
• 3.1.2. Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình
• 3.2. Ứng dụng MIKE FLOOD - URBAN mô phỏng ngập lụt lưu vực sông Kim Ngưu
• 3.2.1. Thiết lập mô hình mô phỏng ngập lụt lưu vực sông Kim Ngưu
• 3.2.2. Các trạm đo mực nước tự động
• 3.3. Thiết lập hệ thống dự báo ngập úng thời gian thực cho lưu vực Kim Ngưu
• 3.3.1. Vận hành hệ thống
• 3.3.2. Quy trình thực hiện khi cảnh báo khả năng xảy ra ngập lụt
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Nghiên cứu Cảnh báo Ngập Úng Lưu Vực Sông Kim Ngưu Tổng Quan

Trong bối cảnh đô thị hóa diễn ra nhanh chóng tại Hà Nội, lưu vực sông Kim Ngưu đang đối mặt với thách thức ngập lụt ngày càng nghiêm trọng. Nhiều sông, hồ bị lấp, kênh mương bị lấn chiếm. Nhà cao tầng mọc lên san sát thay thế các khu đất trống làm giảm diện tích thoát nước tự nhiên cũng như khả năng thấm, thời gian nước chảy tràn trên bề mặt. Hệ thống thoát nước hiện tại không theo kịp tốc độ phát triển, cộng thêm tác động của biến đổi khí hậu khiến tình trạng ngập úng trở nên tồi tệ hơn. Nghiên cứu này tập trung vào xây dựng phương án cảnh báo ngập úng sớm cho sông Kim Ngưu, từ đó đưa ra các giải pháp ứng phó hiệu quả, giảm thiểu thiệt hại cho người dân và nền kinh tế. Phương pháp phi công trình được xem là giải pháp có chi phí hợp lý và triển khai nhanh chóng được áp dụng rộng rãi trong các đô thị hiện nay.

1.1. Tính Cấp Thiết của Nghiên cứu Cảnh báo Ngập úng Sông Kim Ngưu

Các trận mưa lớn, thậm chí là lịch sử, như trận mưa năm 2008 và 2016 đã gây ra tình trạng ngập úng nghiêm trọng trên địa bàn Hà Nội, đặc biệt là tại lưu vực sông Kim Ngưu. Theo tài liệu gốc, trận mưa năm 2008 gây ngập úng dài 100-300 mét, sâu trên dưới 1m, gây thiệt hại lớn về kinh tế. Việc xây dựng phương án cảnh báo sớm sẽ giúp nhà quản lý có cái nhìn tổng thể về tình hình ngập lụt, từ đó đưa ra quyết định ứng phó kịp thời, hạn chế tối đa thiệt hại do ngập úng gây ra.

1.2. Mục Tiêu và Phạm Vi Nghiên cứu Cảnh báo ngập úng

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xây dựng phương án cảnh báo sớm ngập úng cho lưu vực sông Kim Ngưu, đồng thời đề xuất các giải pháp nâng cao độ tin cậy của các bản tin cảnh báo. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong lưu vực sông Kim Ngưu thuộc hệ thống thoát nước của thành phố Hà Nội. Nghiên cứu này tập trung vào hiện tượng ngập úng đô thị tại khu vực này, phân tích các yếu tố gây ra ngập lụt và đề xuất các biện pháp giảm thiểu rủi ro.

II. Thách thức Ngập úng Nguyên nhân Tác động Lưu Vực Sông Kim Ngưu

Tình trạng ngập úng tại lưu vực sông Kim Ngưu không chỉ là vấn đề cục bộ mà còn là hệ quả của nhiều yếu tố phức tạp. Ngoài biến đổi khí hậu gây ra các trận mưa cực đoan, hệ thống thoát nước xuống cấp, quy hoạch đô thị chưa hợp lý và sự lấn chiếm kênh mương cũng góp phần làm gia tăng tình trạng ngập lụt. Theo tài liệu gốc, hệ thống thoát nước nội thành Hà Nội là hệ thống cũ, không được thiết kế theo kịp quy hoạch sử dụng đất mới. Ngập lụt gây ra nhiều tác động tiêu cực đến đời sống sinh hoạt, kinh tế và môi trường của người dân.

2.1. Các Yếu Tố Gây Ngập Úng tại Lưu Vực Sông Kim Ngưu

Có nhiều yếu tố tác động đến tình trạng ngập úng tại lưu vực sông Kim Ngưu. Thứ nhất, mưa lớn vượt quá khả năng thoát nước của hệ thống hiện tại. Thứ hai, hệ thống thoát nước cũ kỹ, xuống cấp, nhiều đoạn bị tắc nghẽn do rác thải và vật liệu xây dựng. Thứ ba, quy hoạch đô thị chưa hợp lý, thiếu không gian xanh và hồ điều hòa. Thứ tư, việc lấn chiếm kênh mương làm giảm khả năng tiêu thoát nước tự nhiên. Thứ năm, biến đổi khí hậu làm gia tăng tần suất và cường độ của các trận mưa lớn. Cuối cùng, các dự án cải tạo hệ thống thoát nước khu vực nội thành tiến độ còn chậm do nhiều nguyên nhân.

2.2. Tác Động của Ngập Lụt đến Kinh Tế Xã Hội Lưu Vực

Ngập lụt gây ra nhiều tác động tiêu cực đến lưu vực sông Kim Ngưu. Thứ nhất, gây thiệt hại về tài sản, hoa màu, ảnh hưởng đến sản xuất kinh doanh. Thứ hai, làm gián đoạn giao thông, ảnh hưởng đến sinh hoạt hàng ngày của người dân. Thứ ba, gây ô nhiễm môi trường, làm phát sinh dịch bệnh. Thứ tư, ảnh hưởng đến sức khỏe và tinh thần của người dân. Theo tài liệu gốc, trận mưa năm 2016 khiến nhiều tuyến đường ngập lụt, ảnh hưởng lớn đến cuộc sống của nhân dân. Cần có những nghiên cứu cụ thể hơn để đánh giá chính xác các thiệt hại do ngập lụt gây ra.

III. Phương Pháp Cảnh báo Ngập úng Mô hình MIKE URBAN FLOOD

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp mô hình hóa để xây dựng phương án cảnh báo ngập úng cho lưu vực sông Kim Ngưu. Cụ thể, mô hình MIKE URBAN và MIKE FLOOD của DHI được ứng dụng để mô phỏng quá trình thoát nước và ngập lụt trong khu vực. Mô hình MIKE URBAN được sử dụng để mô phỏng hệ thống thoát nước, trong khi MIKE FLOOD được sử dụng để mô phỏng quá trình ngập lụt trên bề mặt. Việc kết hợp hai mô hình này cho phép đánh giá toàn diện nguy cơ ngập úng và đưa ra các kịch bản ứng phó phù hợp. Mô hình toán có những thế mạnh trong việc giải quyết các bài toán hệ thống, mạng lưới.

3.1. Ưu Điểm của Mô Hình MIKE URBAN trong Mô phỏng Thoát nước

MIKE URBAN là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng hệ thống thoát nước đô thị. Nó cho phép mô phỏng dòng chảy trong các đường ống, kênh mương và các công trình thoát nước khác. Mô hình này có thể được sử dụng để đánh giá khả năng thoát nước của hệ thống hiện tại, xác định các điểm nghẽn và đề xuất các giải pháp cải thiện. Ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu ngập lụt và tiêu thoát nước là rất hiệu quả, bởi mô hình toán có những thế mạnh trong việc giải quyết các bài toán hệ thống, mạng lưới…

3.2. Ứng Dụng MIKE FLOOD Đánh Giá Nguy cơ Ngập lụt Bề mặt

MIKE FLOOD là một mô hình hai chiều cho phép mô phỏng quá trình ngập lụt trên bề mặt. Nó tính toán độ sâu ngập, vận tốc dòng chảy và thời gian ngập lụt tại các vị trí khác nhau. Mô hình này có thể được sử dụng để đánh giá nguy cơ ngập lụt tại các khu vực dân cư, cơ sở hạ tầng và các công trình quan trọng khác. Mô hình toán được sử dụng trong luận văn là phần mềm MIKE URBAN/MIKE FLOOD của DHI kết hợp ArcGis tính toán và mô phỏng quá trình ngập lụt một cách trực quan.

IV. Xây dựng Hệ thống Cảnh báo Sớm Ngập úng Giải pháp Lưu Vực

Dựa trên kết quả mô phỏng từ MIKE URBAN và MIKE FLOOD, nghiên cứu này đề xuất xây dựng hệ thống cảnh báo sớm ngập úng cho lưu vực sông Kim Ngưu. Hệ thống này bao gồm các trạm đo mưa, mực nước tự động, hệ thống truyền dữ liệu và phần mềm dự báo. Khi có mưa lớn, dữ liệu sẽ được truyền về trung tâm điều hành, phần mềm dự báo sẽ tính toán nguy cơ ngập lụt và phát đi các bản tin cảnh báo kịp thời. Phương án phi công trình là tận dụng cơ sở hạ tầng sẵn có, áp dụng các công nghệ tiên tiến để cảnh báo ngập úng trên cơ sở đó ra quyết định ứng phó, quản lý và vận hành hệ thống.

4.1. Mạng lưới Trạm Đo Mưa và Mực nước Tự động Thu thập Dữ liệu

Việc xây dựng mạng lưới trạm đo mưa và mực nước tự động là rất quan trọng để thu thập dữ liệu thời gian thực về tình hình mưa và mực nước tại lưu vực sông Kim Ngưu. Dữ liệu này sẽ được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình và đưa ra các bản tin cảnh báo chính xác hơn. Cần xác định vị trí lắp đặt các trạm đo sao cho bao phủ toàn bộ khu vực nghiên cứu và đảm bảo tính đại diện của dữ liệu.

4.2. Quy trình Vận hành và Phát bản tin Cảnh báo Ngập úng Sớm

Quy trình vận hành hệ thống cảnh báo sớm cần được xây dựng một cách rõ ràng, chi tiết. Khi có mưa lớn, dữ liệu từ các trạm đo sẽ được truyền về trung tâm điều hành. Phần mềm dự báo sẽ tính toán nguy cơ ngập lụt và phát đi các bản tin cảnh báo theo các cấp độ khác nhau. Bản tin cảnh báo cần được truyền tải đến các cơ quan chức năng, người dân và các đối tượng liên quan khác một cách nhanh chóng và hiệu quả.

V. Ứng dụng và Kết quả Nghiên cứu Cảnh báo Ngập úng Sông Kim Ngưu

Nghiên cứu này đã ứng dụng mô hình MIKE URBAN/MIKE FLOOD để mô phỏng tình hình ngập úng tại lưu vực sông Kim Ngưu trong các trận mưa khác nhau. Kết quả cho thấy mô hình có khả năng mô phỏng khá chính xác quá trình ngập lụt, giúp xác định các khu vực có nguy cơ ngập úng cao. Dựa trên kết quả mô phỏng, nghiên cứu đã đề xuất các giải pháp cải thiện hệ thống thoát nước và xây dựng hệ thống cảnh báo sớm ngập úng hiệu quả.

5.1. Đánh giá Độ tin cậy của Mô hình Cảnh báo Ngập úng

Để đảm bảo độ tin cậy của hệ thống cảnh báo, cần thực hiện đánh giá và kiểm định mô hình bằng cách so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực tế. Các sai số cần được phân tích và điều chỉnh để cải thiện độ chính xác của mô hình. Theo tài liệu gốc, độ tin cậy của mô hình được xác nhận bằng cách so sánh mực nước tính toán với mực nước lũ quan sát thông qua khảo sát, phỏng vấn cư dân địa phương.

5.2. Đề xuất Giải pháp Giảm thiểu Ngập lụt Công trình và Phi công trình

Nghiên cứu đề xuất kết hợp các giải pháp công trình và phi công trình để giảm thiểu ngập lụt tại lưu vực sông Kim Ngưu. Giải pháp công trình bao gồm cải tạo hệ thống thoát nước, xây dựng hồ điều hòa, nâng cấp đê điều. Giải pháp phi công trình bao gồm quy hoạch đô thị hợp lý, quản lý sử dụng đất, nâng cao nhận thức cộng đồng. Theo tài liệu gốc, phương pháp công trình là đầu tư xây dựng cơ sở hạ tầng thu gom, chứa và tiêu thoát nước. Phương pháp phi công trình là tận dụng cơ sở hạ tầng sẵn có.

VI. Cảnh báo Ngập úng Sông Kim Ngưu Tương lai Phát triển

Việc xây dựng và vận hành hệ thống cảnh báo ngập úng hiệu quả cho lưu vực sông Kim Ngưu là một quá trình liên tục, đòi hỏi sự đầu tư và cải tiến không ngừng. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ mới, như trí tuệ nhân tạo, internet of things (IoT), để nâng cao khả năng dự báo và cảnh báo ngập úng. Đồng thời, cần tăng cường sự tham gia của cộng đồng trong công tác phòng chống ngập lụt.

6.1. Ứng dụng Trí tuệ Nhân tạo AI trong Dự báo Ngập lụt

Trí tuệ nhân tạo (AI) có tiềm năng lớn trong việc nâng cao khả năng dự báo ngập lụt. Các thuật toán AI có thể được sử dụng để phân tích dữ liệu lớn từ nhiều nguồn khác nhau, như trạm đo mưa, mực nước, radar thời tiết, để dự đoán nguy cơ ngập lụt một cách chính xác hơn. Điều này giúp các nhà quản lý có thêm thời gian để chuẩn bị và ứng phó.

6.2. Vai trò của Cộng đồng trong Phòng chống Ngập lụt Lưu vực

Cộng đồng đóng vai trò quan trọng trong công tác phòng chống ngập lụt. Người dân cần được trang bị kiến thức về các biện pháp phòng tránh, ứng phó khi có ngập lụt xảy ra. Đồng thời, cần khuyến khích sự tham gia của cộng đồng trong việc giám sát, báo cáo tình hình ngập úng và đóng góp ý kiến cho các giải pháp cải thiện hệ thống thoát nước. Theo tài liệu gốc, cần nghiên cứu về sự tham gia của cộng đồng trong công tác phòng chống ngập úng sông Kim Ngưu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa nhanh chóng cùng mật độ dân số gia tăng tại Hà Nội với quy mô khoảng 7,1 triệu người trên diện tích 3.324,5 km2 đã làm suy giảm nghiêm trọng không gian trữ nước tự nhiên. Trong 10 năm qua, tổng diện tích mặt nước ao hồ tại Thủ đô (không tính Hồ Tây) đã sụt giảm hơn 64%, khiến tình trạng ngập úng trở nên phức tạp và khó lường. Hệ thống thoát nước hiện hữu được xây dựng từ trước năm 1954 vốn chỉ thiết kế phục vụ vùng nội thành cũ diện tích 1.000 ha, đến nay đã phải gánh tải cho lưu vực mở rộng trên 6.800 ha. Những trận mưa cực đoan vượt tần suất thiết kế như đợt mưa lịch sử tháng 11/2008 với lượng mưa 350 - 550 mm đã làm 22 người thiệt mạng, 13.982 hộ dân phải di dời và gây thiệt hại kinh tế hàng nghìn tỷ đồng. Gần đây, trận mưa rạng sáng ngày 25/5/2016 với cường độ 150 mm trong 12 giờ tiếp tục gây ngập sâu 30 - 50 cm trên hàng loạt tuyến phố kéo dài gần 1 km.

Trước sức ép đó, việc "tận dụng cơ sở hạ tầng sẵn có, áp dụng các công nghệ tiên tiến" thông qua giải pháp phi công trình mang tính cấp bách hàng đầu. Luận văn tập trung giải quyết bài toán xây dựng phương án cảnh báo sớm ngập úng thời gian thực cho lưu vực sông Kim Ngưu (diện tích khoảng 1.700 ha, chiều dài 19 km) và làm tiền đề mở rộng ra 8 quận nội thành Hà Nội. Nghiên cứu khai thác chuỗi dữ liệu thực đo giai đoạn 2001 - 2016, tập trung hiệu chỉnh và kiểm định trong các năm 2012, 2013 và 2016. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi hỗ trợ đắc lực cho hệ thống công trình tiêu thoát hiện chỉ đáp ứng được 60 - 70% nhu cầu khi gặp mưa tần suất 10%, giúp nâng cao năng lực ứng phó ngập lụt đô thị và giảm thiểu thiệt hại dân sinh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng tích hợp giữa lý thuyết thủy văn đô thị và thủy lực dòng chảy đa chiều. Thủy văn đô thị (Urban Catchment Hydrology) giải quyết bài toán biến đổi mưa - dòng chảy mặt, phân tích sự thay đổi hệ số thấm khi diện tích đất tự nhiên bị bê tông hóa. Về mặt thủy lực, đề tài ứng dụng hệ phương trình vi phân Saint-Venant một chiều (1D) để mô tả quá trình vận chuyển dòng chảy có áp và không áp trong mạng lưới cống ngầm, kênh mương dẫn nước. Đồng thời, hệ phương trình dòng chảy hai chiều (2D) nước nông được áp dụng để mô phỏng chính xác vận tốc và hướng dòng chảy tràn trên bề mặt địa hình đô thị.

Ba khái niệm học thuật then chốt được chuẩn hóa bao gồm: mô hình số độ cao (DEM) phản ánh chi tiết cao độ vi địa hình; nút mạng và liên kết cống (Nodes - Links) biểu diễn các hố ga, giếng thăm, trạm bơm; và cơ chế tương tác thủy lực liên hợp 1D-2D mô phỏng hiện tượng nước trào ngược từ miệng hố ga lên mặt đường khi lưu lượng cống vượt ngưỡng tải thiết kế.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu kế thừa từ dự án cảnh báo ngập úng thời gian thực của Trung tâm Ứng dụng công nghệ và Bồi dưỡng nghiệp vụ Khí tượng Thủy văn. Cơ sở dữ liệu bao gồm 100 mảnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1:5.000 với mô hình DEM độ phân giải cao 5m x 5m, chuỗi số liệu mưa giờ từ 4 trạm khí tượng cơ bản (Láng, Ba Vì, Sơn Tây, Hà Đông) cùng 17 trạm đo mưa tự động phân bổ trên địa bàn. Cỡ mẫu đánh giá ngập thực tế gồm 138 vết lũ khảo sát năm 2012, 65 vết lũ năm 2013 và chuỗi quan trắc liên tục tại 5 trạm đo mực nước tự động trên lưu vực Kim Ngưu.

Nghiên cứu áp dụng phương pháp chọn mẫu theo sự kiện cực đoan có chủ đích (purposive event sampling). Các trận mưa điển hình từ 65 mm đến 220 mm được lựa chọn nhằm bao quát các hình thái ngập lụt đa dạng. Lý do lựa chọn bộ phần mềm thương mại MIKE URBAN kết hợp MIKE FLOOD (do Viện Thủy lực Đan Mạch - DHI phát triển) tích hợp công cụ GIS là nhờ khả năng xử lý đồng thời mạng lưới cống ngầm phức tạp và dòng tràn bề mặt, mang lại độ chính xác cao và khả năng xuất bản đồ trực quan. Toàn bộ quy trình tính toán, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình được hoàn thành trong chu kỳ nghiên cứu từ năm 2015 đến năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu chỉ ra sự quá tải nghiêm trọng của mạng lưới thoát nước tự nhiên. Khả năng tiêu thoát hiện trạng của trục chính sông Kim Ngưu và sông Tô Lịch chỉ đạt mức 30 - 35 m3/s, trong khi yêu cầu lưu lượng để tiêu thoát cho trận mưa có chu kỳ 10 năm lên tới 170 m3/s. Sự chênh lệch này dẫn đến mức thiếu hụt công suất thoát nước lên tới hơn 79%, khiến nước dồn ứ nhanh chóng tại các nút giao trũng thấp.

Thứ hai, kết quả mô phỏng thủy lực bằng mô hình liên hợp 1D-2D trên tập dữ liệu trận mưa ngày 17-18/8/2012 và ngày 8-9/8/2013 tại 22 vị trí ngập úng nội thành cho thấy sự trùng khớp ấn tượng. Sai số tuyệt đối giữa độ sâu ngập tính toán và độ sâu ngập thực đo chỉ dao động trong khoảng từ 0,02 m đến 0,05 m. Sai số tương đối đạt dưới 10%, khẳng định độ tin cậy vượt trội của mô hình trên lưới độ cao 5m x 5m.

Thứ ba, thử nghiệm cảnh báo thời gian thực cho trận mưa rạng sáng ngày 25/5/2016 (cường độ 30 - 50 mm/h) và ngày 28/8/2016 đã tái hiện chính xác diễn biến ngập lụt. Tại các điểm nóng như tuyến đường Phạm Ngọc Thạch, nút giao Liễu Giai - Đội Cấn và khu vực Keangnam, mực nước ngập đỉnh điểm ghi nhận từ 0,3 m đến 0,6 m và thời gian ngập kéo dài từ 4 đến 8 giờ, phù hợp hoàn toàn với dữ liệu truyền về từ 5 trạm quan trắc mực nước tự động.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi gây ngập úng diện rộng bắt nguồn từ sự mất cân bằng cục bộ của hệ thống cân bằng nước mặt. Quá trình đô thị hóa tự phát làm bê tông hóa bề mặt, kết hợp với việc vật liệu xây dựng rơi vãi lấp kín miệng hố ga thu nước. Toàn thành phố hiện có 723 công trình tiêu úng nhưng khả năng thực tế chỉ đạt 80% so với diện tích cần tiêu 209.028 ha.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế tại Dhaka (Bangladesh) và Chennai (Ấn Độ), việc áp dụng mô hình 1D-2D chứng minh tính ưu việt hơn hẳn so với các mô hình 1D truyền thống vốn tính toán dung tích trữ ảo không phản ánh đúng thực tế dòng tràn. Giải pháp cảnh báo tự động của luận văn cũng tiệm cận với mô hình quản trị ngập lụt tại Hvidovre (Đan Mạch) và Barcelona (Tây Ban Nha).

Các kết quả nghiên cứu được minh họa trực quan thông qua: bản đồ phân vùng độ sâu ngập lớn nhất độ phân giải 5m x 5m; biểu đồ trắc dọc diễn biến mực nước theo chuỗi thời gian dọc tuyến đường Phạm Ngọc Thạch; và bảng đối chuẩn chi tiết sai số ngập lụt tại 12 điểm kiểm tra trọng điểm.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả mô phỏng và phân tích thực nghiệm, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp trọng tâm nhằm kiểm soát ngập úng đô thị:

Thứ nhất, vận hành hệ thống giám sát và cảnh báo sớm ngập úng thời gian thực. Cần tích hợp tín hiệu quan trắc tự động từ 5 trạm đo mực nước lưu vực Kim Ngưu và dữ liệu radar thời tiết với tần suất cập nhật 5 - 15 phút/lần. Mục tiêu nâng thời gian dự báo trước ngập lụt lên 60 - 120 phút để các lực lượng kịp thời ứng phó. Đơn vị chủ trì: Trung tâm Mạng lưới Khí tượng Thủy văn và Môi trường phối hợp Công ty Thoát nước Hà Nội (lộ trình thực hiện 2017 - 2020).

Thứ hai, nâng cấp và cải tạo đồng bộ hạ tầng tiêu thoát nước kỹ thuật. Tiến hành nạo vét toàn diện 19 km lòng dẫn sông Kim Ngưu, nâng công suất trạm bơm Yên Sở và các cống ngầm đầu mối. Mục tiêu đưa hiệu suất tiêu thoát thực tế đạt 100% diện tích thiết kế 209.028 ha thay vì mức 80% như hiện tại. Chủ thể thực hiện: Sở Xây dựng và Ban Quản lý Dự án Thoát nước Hà Nội (giai đoạn 2018 - 2022).

Thứ ba, ban hành quy chế phân cấp 4 mức báo động ngập lụt đô thị. Thiết lập ngưỡng báo động tương ứng với lượng mưa từ 50 mm/h đến trên 172 mm/2 ngày để chủ động kích hoạt phương án phân luồng giao thông và huy động máy bơm dã chiến. Chủ thể thực hiện: Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn TP Hà Nội.

Thứ tư, siết chặt quy hoạch không gian mặt nước và áp dụng hạ tầng xanh. Ngăn chặn tuyệt đối hành vi lấn chiếm ao hồ, khôi phục dung tích trữ của các hồ điều hòa nội thành nhằm duy trì khả năng lưu giữ 20 - 30% tổng lượng nước mặt khi xảy ra mưa lớn. Chủ thể thực hiện: Sở Quy hoạch - Kiến trúc và UBND các quận nội thành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo chuyên môn giá trị cho 4 nhóm đối tượng sau:

Thứ nhất, các nhà quản lý đô thị và chuyên viên quy hoạch hạ tầng thoát nước tại Hà Nội và các đô thị lớn trên toàn quốc. Tài liệu cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá năng lực mạng lưới cống ngầm 8 quận nội thành và định hướng đầu tư nâng cấp trạm bơm, hồ điều hòa.

Thứ hai, kỹ sư thủy văn, chuyên gia tài nguyên nước và môi trường. Luận văn cung cấp quy trình công nghệ chi tiết trong việc thiết lập, liên kết và hiệu chỉnh mô hình thủy lực 1D-2D (MIKE URBAN kết hợp MIKE FLOOD) trên nền bản đồ số độ cao DEM 5m x 5m.

Thứ ba, cơ quan điều hành phòng chống thiên tai và cứu hộ cứu nạn. Khung phân cấp báo động và quy trình ứng phó khẩn cấp được đề xuất là cẩm nang hữu ích giúp đơn vị chủ động điều tiết giao thông và sơ tán người dân trước 2 - 3 giờ khi có mưa bão.

Thứ tư, giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Thủy văn học, Kỹ thuật tài nguyên nước, Quản lý môi trường. Luận văn là case study thực tiễn điển hình về tính toán dòng chảy tràn đô thị và ứng dụng công nghệ thông tin trong giảm nhẹ rủi ro thiên tai.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nghiên cứu phải kết hợp mô hình 1 chiều và 2 chiều thay vì chỉ dùng mô hình 1 chiều truyền thống? Mô hình 1 chiều chỉ tính toán dòng chảy trong lòng cống và kênh kín, giả định lượng nước tràn lưu trữ tại các khoang ảo không phản ánh đúng hướng chảy thực tế. Mô hình 2 chiều trên nền DEM 5m x 5m mô phỏng chính xác đường đi, vận tốc và độ sâu của dòng tràn mặt đường đô thị khi cống quá tải.

2. Độ chính xác của mô hình cảnh báo ngập úng lưu vực sông Kim Ngưu đạt mức nào? Mô hình đạt độ tin cậy rất cao khi kiểm định qua chuỗi 138 vết lũ năm 2012 và 65 vết lũ năm 2013. Sai số tuyệt đối độ sâu ngập chỉ từ 0,02 m đến 0,05 m, tương đương sai số tương đối dưới 10% so với mực nước ngập đo đạc thực tế tại các điểm ngập úng.

3. Dữ liệu trận mưa lịch sử năm 2008 đóng góp vai trò gì trong đề tài? Trận mưa năm 2008 với tổng lượng mưa 350 - 550 mm đóng vai trò là mốc chuẩn cực hạn để đánh giá ngưỡng chịu tải tối đa của hệ thống thoát nước Thủ đô, từ đó làm căn cứ thiết lập các kịch bản cảnh báo ngập lụt ở cấp độ rủi ro thiên tai cao nhất.

4. Mạng lưới 5 trạm quan trắc mực nước tự động hỗ trợ hệ thống cảnh báo như thế nào? Năm trạm quan trắc tự động trên lưu vực sông Kim Ngưu truyền dữ liệu mực nước liên tục về máy chủ theo thời gian thực (5 phút/lần). Dữ liệu này giúp tự động kiểm tra, hiệu chỉnh kết quả mô phỏng và phát lệnh cảnh báo sớm đến cơ quan điều hành trước khi ngập úng diễn ra trên diện rộng.

5. Phương án cảnh báo này có thể mở rộng cho toàn bộ thành phố Hà Nội được không? Hoàn toàn có thể. Quy trình tích hợp MIKE URBAN, MIKE FLOOD và GIS trong luận văn được chuẩn hóa trên nền tảng dữ liệu 8 quận nội thành, sẵn sàng mở rộng áp dụng cho lưu vực sông Tô Lịch, sông Lừ, sông Sét và toàn bộ khu vực nội đô Hà Nội.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công phương án cảnh báo sớm ngập úng thời gian thực cho lưu vực sông Kim Ngưu (1.700 ha) bằng công nghệ mô hình liên hợp 1D-2D trên nền lưới DEM 5m x 5m.
• Kết quả mô hình đạt độ chính xác vượt trội với sai số độ sâu ngập dưới 10%, được kiểm chứng vững chắc qua 138 vết lũ năm 2012, 65 vết lũ năm 2013 và các trận mưa thực tế năm 2016.
• Đề tài làm rõ nguyên nhân cốt lõi gây ngập lụt do công suất thoát nước sông trục chỉ đạt 30 - 35 m3/s (thiếu hụt 79% so với yêu cầu) và diện tích mặt nước ao hồ bị thu hẹp hơn 64%.
• Thiết lập hoàn chỉnh quy trình vận hành giám sát thời gian thực qua mạng lưới 5 trạm đo mực nước tự động và khung 4 cấp độ cảnh báo ngập lụt trước 60 - 120 phút.
• Đóng góp luận cứ khoa học quan trọng phục vụ chuyển giao công nghệ cảnh báo sớm ngập lụt cho 8 quận nội thành Hà Nội trong giai đoạn 2018 - 2025.

Nghiên cứu mang tính tiên phong trong việc hiện đại hóa công tác cảnh báo ngập úng đô thị bằng giải pháp phi công trình. Các nhà quản lý đô thị và đơn vị vận hành thoát nước cần sớm tích hợp bộ công cụ này vào trung tâm điều hành thành phố thông minh nhằm bảo vệ an toàn sinh kế cho người dân Thủ đô.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về ngập lụt đô thị. - Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và tình hình số liệu. - Chương 3: Xây dựng phương án cảnh báo ngập úng cho lưu vực sông Kim Ngưu và đề xuất giải pháp. TỔNG QUAN VỀ NGẬP LỤT ĐÔ THỊ 1.

Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Có thể nói rằng việc giải quyết vấn đề tiêu thoát nước cho đô thị có từ ngàn năm trước. Đến những năm 1850 ở các thành phố của Anh đã có những công trình cống tiêu thoát nước rất lớn như Bazalgette ở Luân Đôn. Khoảng những năm 1950-1960 có bước tiến về kỹ thuật công trình là hệ thống phân tách nước mưa và nước thải sinh hoạt và công nghiệp.

Từ những năm 1970 đã hình thành các cơ quan quản lý nhà nước về tiêu thoát nước đô thị và thành lập những tổ chức nghiên cứu kỹ thuật công trình tiêu thoát nước đô thị như UDFCD của thành phố Denver bang Colorado thành lập năm 1969, cơ quan quản lý của Anh và Wale thành lập năm 1974. Đến những năm 1980 nhờ phát triển công nghệ phần cứng, phần mềm vi tính mô phỏng hệ thống tiêu thoát nước đã làm tăng hiệu quả kinh tế của các công trình tiêu thoát nước và sáng tỏ nhiều vấn đề kỹ thuật. Đến những năm 1990 thì vấn đề quản lý chất lượng nước thải được quan tâm giải quyết và cơ cấu tổ chức ngành nước ở nhiều nơi được cải tổ. Dưới đây là một số nghiên cứu mô phỏng ngập lụt tại một số thành phố trên thế giới: 1.

Vidyapriya and Ramalingam của Trường ĐH Anna [17], Ấn Độ đã ứng dụng mô hình MIKE URBAN để mô phỏng ngập lụt cho TP Chennai ứng với các trận mưa thiết kế có chu kỳ lặp lại thiết kế 5 năm, 10 năm, 20 năm và 50 năm. Độ tin cậy của mô hình được xác nhận bằng cách so sánh mực nước tính toán với mực nước lũ quan sát thông qua khảo sát, phỏng vấn cư dân địa phương. Trong nghiên cứu này, mô hình dòng chảy MOUSE được xây dựng theo mô hình Model A. Nó được giả định: dòng chảy chỉ được tạo ra từ các khu vực không thấm nước, được mô tả bằng các tỷ lệ phần trăm so với tổng diện tích lưu vực trong mô hình.

Dòng chảy trong các rãnh thoát nước và dòng chảy trong kênh được mô hình hóa dựa trên mặt cắt ngang trung bình, phương trình Saint Venant mô tả diễn biến độ sâu dòng chảy lưu lượng. Khu vực nghiên cứu nằm ở phần phía Nam của TP Chennai và có diện tích 2,94 km2. Các dữ liệu khí tượng được cung cấp bởi máy đo mưa tự ghi trong vùng lân cận của khu vực nghiên cứu. Để mô phỏng chính xác địa hình khu vực nghiên cứu, mô hình số độ cao (DEM) với độ phân giải cao 3mx3m đã được thành lập.

DEM bao gồm các mức độ khác biệt của đường phố cắt ngang, vị trí và chiều cao 4 của các hố ga, vỉa hè đường phố. Khu vực nghiên cứu được chia thành 150 lưu vực đơn vị, trong đó có 146 kết nối với hố ga tương ứng và 4 kết nối với kênh. Yếu tố thủy văn được sử dụng làm điều kiện biên đầu vào. Đối với các biên dưới, mực nước quan sát được thực hiện tại đầu ra của kênh đã được xác định.

Tất cả các cấu trúc thủy lực được giả định tại các điều kiện ban đầu. Thời gian mô phỏng là 7 giờ với bước thời gian 1 phút. Hai kịch bản được xem xét để phân tích lũ lụt. Một là cống được xây dựng từ năm 1980 và cống mới được dự kiến trong năm 2009.

Theo các trận mưa có chu kỳ lặp lại 5 năm, thì không có lũ lụt tại các nút của các vùng đầu nguồn Jafferkhanpet, Chennai. Tuy nhiên, theo các trận mưa có chu kỳ lặp lại 10 năm: lũ lụt tối thiểu là 0,6m và lũ lụt tối đa là 1,34m. Một lần nữa theo các trận mưa có chu kỳ lặp lại 25 năm: lũ lụt tối thiểu là 0,55m và lũ lụt tối đa là 2,51m. Và theo những trận mưa có chu kỳ lặp lại 50 năm: lũ lụt tối thiểu là 0,57 m và lũ lụt tối đa là 2,63 m.

Trong thời gian mô phỏng là 13 giờ, lũ lụt tại các nút tự động tăng lên và sau đó dần dần rút đi sau 24 giờ. Kết quả mô phỏng được so sánh với các câu hỏi từ cuộc khảo sát. Nói chung, mực nước lũ mô phỏng lớn hơn so với mực nước lũ quan sát. Vì vậy, các kết quả mô phỏng cho thấy những cải tiến của thiết kế hệ thống thoát nước là cần thiết.

Năm 1996, Viện Thủy lực Đan Mạch (Danish Hydraulic Institute – DHI) đã ứng dụng mô hình MOUSE GIS để nghiên cứu thoát nước cho thành phố Dhaka, Bangladesh [11]. Hệ thống thoát nước thành phố Dhaka bao gồm sự kết hợp của ống dẫn khép kín, cống hộp và các kênh hở. Các máy bơm với công suất 2,55 m3/s bắt đầu hoạt động khi mực nước ở trong lưu vực đạt 3,8m và dừng lại khi mức nước đạt 1,4m. Cửa cống được đóng khi mực nước trong hệ thống sông vẫn còn cao hơn so với mực nước ở phía thành phố.

Dữ liệu mưa lịch sử tháng IX/1996 đã được sử dụng làm đầu vào mô hình MOUSE. Mực nước liên tục 4-5m trên sông ở phía hạ lưu của các cửa cống đã được giả định, mức độ được dựa trên kinh nghiệm thu được từ nghiên cứu trước đây. Cửa cống đã được giả định vẫn mở khi mực nước bên trong khu vực thoát nước cao hơn mực nước trong sông. Mực nước bên trong khu vực mô hình ban đầu tại các cửa cống được giả định là 1,5m.

Một mô hình mô phỏng được thực hiện cho sự kiện mưa bão tháng X/1996 để đánh giá hiệu quả của việc sử dụng máy bơm lũ tại Shantinagar. Năm máy bơm 5 đã được giả định sẽ được cung cấp tại địa điểm. Trong thực tế không có hồ/ao trong khu vực, nơi mà nước bơm có thể được lưu trữ. Kết quả cho thấy tác động của bơm tại chỗ là chính.

Sử dụng máy bơm tại Shantinagar Crossing sẽ làm giảm thời gian lũ lụt từ 24 giờ đến 7 giờ tại Crossing Shantinagar. Mô phỏng được thực hiện cho mưa bão tháng X/1996. Kết quả chỉ ra rằng nạo vét trong những địa điểm chưa hoàn thành cống hộp sẽ làm giảm thời gian lũ lụt tại Shantinagar Crossing từ 24 giờ đến 18 giờ và chiều sâu tối đa của lũ lụt từ 75 cm đến 65 cm. Hệ thống mô hình đã được sử dụng để đánh giá các vấn đề lũ lụt ở thành phố Dhaka.

Tuy nhiên, những nỗ lực hiện tại để tìm kiếm một giải pháp cho vấn đề ngập úng trong thành phố Dhaka chỉ được coi là điểm khởi đầu, nhiều dữ liệu hơn sẽ được yêu cầu để thực hiện một nghiên cứu chi tiết hơn. Kết luận của nghiên cứu là sử dụng mô hình thủy động lực học MOUSE cùng với GIS sẽ cung cấp một phương pháp hiệu quả về chi phí và thông tin hướng tới việc tìm kiếm một giải pháp tối ưu cho ngập úng thường xuyên trong thành phố Dhaka. Thành phố Dhaka chịu vấn đề ngập úng đô thị nghiêm trọng. TP có hệ thống đê vành đai chống lũ trên sông.

Vào mùa mưa lũ nước sông cao hơn mặt đất đô thị làm cho việc tiêu thoát nước khó khăn. Chusit Apirumanekul và Ole Mark (2001) đã ứng dụng mô hình toán MOUSE mô phỏng hệ thống cống ngầm tiêu nước liên kết với tính toán dòng chảy bề mặt. Mô hình dùng để mô phỏng hiện trạng ngập úng và một số phương án chống ngập [10]. Khi mô hình MOUSE tính toán mực nước trong hố ga cao hơn mặt đất sẽ xảy ra hiện tượng úng ngập bề mặt.

Mô phỏng ngập úng năm 1996: Hệ thống tiêu nước thời kỳ năm 1996 khi cho hoàn thành tuyến cống hộp quan trọng nên các hệ thống tiêu nước còn khó khăn để thu gom nước vào kênh tiêu. Mô phỏng hiện trạng hệ thống tiêu nước: Với hệ thống công trình tiêu thoát nước năm 1996 và hiện trạng đều cho thấy ngập úng cục bộ trên đường phố Shantinagar với độ sâu ngập 55cm trong vòng 16 giờ. Nguyên nhân ngập được khẳng định là do hệ thống cống ngầm và hố ga thoát nước chưa đủ khả năng tiêu thoát nước mưa. Giải pháp chống ngập: Kết quả mô hình cho thấy hệ thống cống ngầm thoát nước chưa hợp lý, xảy ra hiện tượng thắt cổ chai ở khu vực thoát nước làm ngập úng bề mặt đô thị.

Biện pháp cải tạo đường ống thoát nước hợp lý giảm được úng ngập ở khu vực nghiên cứu. Justine Hénonin, Beniamino Russo, David Suner Roqueta, Rafael Sanchez – Diezma, Nina Donna Sto. Domingo, Franz Thomsen, Ole Mark (2010) Đã phân tích hệ thống cảnh báo ngập lụt đô thị thời gian thực cho một số thành phố như: Thành phố Hvidovre (Đan Mạch), Nîmes (Pháp), Bangkok (Thái Lan) và Barcelona (Tây Ban Nha) [15]. - Tại Hvidovre (Đan Mạch): Cảnh báo ngập lụt thời gian thực sử dụng radar có độ phân giải cao.

Một hệ thống cảnh báo trực tuyến thời gian thực đã được thiết lập để cung cấp thông tin về nguy cơ ngập lụt của tầng hầm. Hệ thống được dựa trên radar thời tiết của khu vực dự báo (LAWR) modul ghi chép lượng mưa và mực nước cho 22 lưu vực đô thị. Những hình ảnh radar có độ phân giải cao được lấy ra 5 phút một lần để xây dựng và cập nhật số liệu dự báo cho các giờ tiếp theo. Số liệu dự báo này được sử dụng bởi các hệ thống (DSS) cùng với các dữ liệu lịch sử để tính toán lượng mưa tích lũy cho từng tiểu lưu vực và phát hành một cảnh báo nếu bất kỳ mức quan trọng được xác định trước vượt mức cảnh báo.

Người dân Hvidovre có thể nhận được tin cảnh báo tự động, bằng tin nhắn SMS và email, hoặc truy cập vào các trang web. - Tại Nîmes (Pháp): Cảnh báo ngập lụt đô thị sử dụng lượng mưa dự báo và mô hình dự báo thủy văn thời gian thực. Hệ thống Espada dựa trên lượng mưa dự báo tại khu vực từ radar (độ phân giải 1 km2) và một mạng lưới đo 10 điểm đo mưa và 11 điểm đo mực nước. Dữ liệu được gửi cách 15 phút đến hệ thống trung tâm, làm đầu vào cho các mô hình lượng mưa-dòng chảy để dự báo lưu lượng dự kiến trong khu vực đô thị với một bản cập nhật cách 30 phút.

Mỗi kịch bản được liên kết với một mức độ cảnh báo với tổng số 4 cấp, từ cảnh giác (cấp 1) đến ngập lụt cục bộ gây rủi ro cho người dân (cấp 4).