CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về bề mặt không thấm 1. Khái niệm Bề mặt thấm (pervious surface) là các bề mặt cho phép nước thấm qua khu vực bên dưới thay vì trở thành dòng chảy bề mặt. Các dạng bề mặt thấm thông dụng như lớp phủ thực vật, lớp phủ đất, bãi cỏ, bãi cát.
Mô tả về bề mặt không thấm [151] Bề mặt không thấm (impervious surface) là các bề mặt do con người tạo ra, có đặc điểm ngăn không cho nước mưa ngấm xuống đất một cách tự nhiên, thay vào đó lượng nước mưa được tích tụ và chảy vào các hệ thống thoát nước cũng như sông, suối [94]. Các dạng bề mặt không thấm quen thuộc bao gồm đường giao thông, vỉa hè, bãi đậu xe, mái nhà,. Hiện nay, bề mặt không thấm được xem như là 9 một chỉ số chính về mức độ đô thị hóa cũng như thông số quan trọng trong đánh giá chất lượng môi trường đô thị. Do đặc tính ngăn sự thấm nước xuống lớp đất phía dưới, bề mặt không thấm có ảnh hưởng lớn đến môi trường khu vực đô thị và được xem như một chỉ số chính để đánh giá mức độ đô thị hóa [75], [123].
Sự gia tăng bề mặt không thấm sẽ có tác động đáng kể đến cảnh quan, môi trường. Do vậy, việc thu thập, chiết xuất thông tin bề mặt không thấm và dự báo xu hướng biến động trong tương lai là một vấn đề có ý nghĩa thực tiễn to lớn đối với công tác quản lý đô thị. Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã quan trắc, đánh giá quá trình đô thị hóa dựa trên phân tích diện tích và phân bố không gian của bề mặt không thấm trong các giai đoạn khác nhau. Các kết quả này cho phép mô hình hóa và định lượng quá trình đô thị hóa, nghiên cứu cảnh quan đô thị, từ đó đưa ra các giải pháp phù hợp đối với công tác quản lý đô thị.
Ảnh hưởng của bề mặt không thấm đến môi trường 1. Gia tăng nguy cơ ngập lụt Do đặc điểm ngăn sự thấm nước mưa xuống lớp đất phía dưới, sự gia tăng bề mặt không thấm sẽ dẫn đến sự gia tăng về quy mô, thời gian và cường độ của dòng chảy trong đô thị, cản trở khả năng thoát nước và từ đó làm gia tăng nguy cơ ngập lụt. Nghiên cứu của Dennison và cộng sự (2009) cho thấy, khi nước mưa rơi xuống khu vực bề mặt thấm (pervious surface), phần lớn lượng nước được ngấm xuống đất tạo thành dòng chảy ngầm (subsurface flow), dòng chảy bề mặt (surface flow) không đáng kể. Trong khi đó, với bề mặt không thấm, phần lớn lượng nước mưa rơi xuống tích tụ ở bề mặt dẫn tới dòng chảy bề mặt lớn hơn rất nhiều so với dòng chảy ngầm (Hình 1.
So sánh khả năng thấm nước của bề mặt không thấm và bề mặt thấm [46] Theo Fernando (2018), khi nước mưa rơi xuống bề mặt thấm, 40% lượng nước mưa được bốc hơi trở lại, 10% ở bề mặt, 25% thấm nông và 25% thấm sâu xuống mặt đất. Trong khi đó, với bề mặt không thấm, 30% lượng nước mưa được bốc hơi, có tới 55% lượng nước mưa tích tụ ở bề mặt và chỉ có 15% lượng nước được thấm xuống đất, trong đó có 10% thấm nông và 5% thấm sâu [49]. Điều này ảnh hưởng rất lớn đến khả năng thoát nước cũng như dẫn đến hiện tượng ngập lụt ở các đô thị (Hình 1. Định lượng hóa khả năng thấm nước của bề mặt không thấm và bề mặt thấm [49] 11 Các bề mặt không thấm làm tăng tần suất và mức độ nghiêm trọng của lũ lụt khu vực đô thị.
Theo tổ chức Flood Defenders (Hoa Kỳ), với cùng lượng mưa là 3 inch (3’’), dòng chảy bề mặt ở khu vực rừng có mật độ bề mặt không thấm 0% là 0,6’’; khu vực dân cư với mật độ bề mặt không thấm 38% là 1,6’’ và khu vực đô thị với mật độ bề mặt không thấm 85% có dòng chảy bề mặt đạt 2,5’’ (Hình 1.4, nguồn: https://www. So sánh dòng chảy bề mặt đối với các bề mặt khác nhau khi lượng mưa đạt 3 inch [152] 1. Ô nhiễm nước Bên cạnh việc gia tăng nguy cơ lũ lụt, nếu không được kiểm soát, sự gia tăng diện tích mặt không thấm còn có thể tạo ra các vấn đề về chất lượng nguồn nước [94]. Các dòng chảy trong khu vực đô thị mang theo các chất ô nhiễm như dầu mỡ, trầm tích,.trước khi chảy vào các hệ thống cống thoát nước, gây nên tình trạng ô nhiễm nước mặt ở các thủy vực.
Sự phân bố dày đặc của các bề mặt không thấm ở các đô thị lớn gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng nước ở các lưu vực sông, trong đó hàm lượng một số thông số chất lượng nước như nhu cầu oxy hóa học (COD), NH3-N.thường vượt nhiều lần mức độ cho phép [68]. Liu và cộng sự (2013) đã đánh giá mối quan hệ giữa các thông số chất lượng nước và diện tích bề mặt không thấm khu vực thành phố Thâm Quyến (Trung Quốc) 12 dựa trên phương pháp hồi quy tuyến tính. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã sử dụng ảnh vệ tinh Landsat TM để chiết xuất thông tin bề mặt không thấm. Kết quả nhận được cho thấy, các thông số chất lượng nước có hệ số tương quan cao với diện tích bề mặt không thấm (hệ số R2 đều lớn hơn 0.
Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, các khu vực có mật độ bề mặt không thấm lớn hơn 36,9% thường đối mặt với các ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường nước, do vậy cần phải kiểm soát quá trình đô thị hóa với mật độ bề mặt không thấm dưới 36,9% [76]. Kim và cộng sự (2016) đã nghiên cứu mối tương quan giữa bề mặt không thấm và chất lượng nước để xác định giá trị ngưỡng của tỷ lệ phần trăm bề mặt không thấm có tác động tiêu cực đến chất lượng nước ở các lưu vực sông. Kết quả nhận được cho thấy, với mật độ bề mặt không thấm trên 10% ở các lưu vực sông có thể gây ra những tác động nghiêm trọng đến chất lượng môi trường nước mặt [67]. Nghiên cứu của Luo và cộng sự (2018) tại khu vực hồ Dianchi (Côn Minh, Trung Quốc) sử dụng ảnh vệ tinh quang học Landsat giai đoạn 1988 – 2017 cho thấy, mật độ bề mặt không thấm khu vực xung quanh hồ Dianchi gia tăng từ 1,84% lên 34,32%.
Đi cùng với sự gia tăng bề mặt không thấm, hàm lượng các thông số chất lượng nước như chất diệp lục (Chl-a), tổng lượng oxy hòa tan (DO) và độ đục cho sự gia tăng đáng kể [78]. Các mô hình hồi quy sử dụng trong nghiên cứu trên cho thấy mối tương quan chặt chẽ giữa bề mặt không thấm và hàm lượng 3 thông số chất lượng nước (Hình 1.5), do vậy việc kiểm soát tốt sự biến động bề mặt không thấm là một yêu cầu quan trọng trong giảm thiểu tác động của quá trình đô thị hóa đến chất lượng môi trường. Tác động của sự gia tăng bề mặt không thấm đến chất lượng nước khu vực hồ Dianchi (Trung Quốc) [78] 14 1. Gia tăng nhiệt độ bề mặt Khi bức xạ Mặt Trời chiếu tới bề mặt Trái Đất, các bề mặt không thấm (bê tông, đường nhựa, bãi xe, đất xây dựng.) hấp thụ một phần năng lượng và chuyển đổi thành năng lượng nhiệt.
Một phần năng lượng nhiệt truyền qua lớp bề mặt không thấm, một phần phản xạ lại vào không khí dưới dạng hiển nhiệt. Do khả năng hấp thụ nhiệt của bề mặt không thấm cao hơn rất nhiều so với bề mặt thấm, tại cùng một thời điểm, nhiệt độ bề mặt ở khu vực đô thị thường cao hơn rất nhiều so với các khu vực có cây xanh, khu vực nông thôn.6), trong đó sự khác biệt nhiệt độ giữa các khu vực này có thể lên đến trên 100C [12], [24]. Sự chênh lệch nhiệt độ bề mặt này dẫn đến việc hình thành các “đảo nhiệt đô thị” (urban heat islands – UHI), tác động tiêu cực đến khí hậu đô thị, gây ra các kiểu thời tiết cực đoan và thay đổi thành phần các sol khí [64]. Sự gia tăng bề mặt không thấm được xem là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự xuất hiện các “đảo nhiệt đô thị” tại các đô thị lớn hiện nay.
Nhiệt độ bề mặt các khu vực với lớp phủ bề mặt khác nhau [26] Sự xuất hiện và tồn tại các “đảo nhiệt đô thị” do tác động của quá trình đô thị hóa ở các thành phố lớn ở Việt Nam như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh đã được chứng minh trong nhiều nghiên cứu [12], [24], [115]. Nhiệt độ bề mặt cao cục bộ được phân bố tại các khu vực có mật độ xây dựng lớn, được đặc trưng bởi các mặt 15 không thấm [6], [20]. Chênh lệch giữa nhiệt độ bề mặt cao nhất và thấp nhất ở các đô thị lớn có thể đạt trên 200C. Phân tích mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt và lớp phủ cho thấy, bề mặt không thấm có hệ số tương quan cao nhất với nhiệt độ bề mặt [70].
Sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat đa thời gian giai đoạn 2000 – 2019, Trịnh Lê Hùng và cộng sự đã xác định mối tương quan giữa nhiệt độ bề mặt khu vực Hà Nội và các yếu tố lớp phủ, bao gồm lớp phủ thực vật (đại diện bởi chỉ số thực vật NDVI), bề mặt không thấm (chỉ số NDBI) và lớp phủ nước mặt (chỉ số nước NDWI). Kết quả nhận được cho thấy, bề mặt không thấm có mối tương quan thuận với nhiệt độ bề mặt, trong đó hệ số tương quan có xu hướng tăng dần trong giai đoạn 2000 – 2019, tương ứng với giá trị 0.816 đối với các năm 2000, 2005, 2010, 2013, 2016 và 2019. Điều này chứng minh ảnh hưởng ngày càng tăng của bề mặt không thấm đến sự gia tăng nhiệt độ bề mặt tại Hà Nội [70]. Mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt và các yếu tố lớp phủ cũng được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu [28], [32], [34], [55], [91].
Nghiên cứu của Đặng Như Duẩn và cộng sự (2017) tại khu vực thành phố Thanh Hóa cho thấy, với những khu vực mật độ xây dựng dưới 10% có nhiệt độ bề mặt trung bình đạt khoảng 260C. Trong khi đó, nhiệt độ bề mặt các khu vực có mật độ xây dựng từ 45 – 75% đạt 31,050C; mật độ xây dựng trên 75% có nhiệt độ bề mặt trung bình đạt khoảng 32,50C [4]. Chênh lệch nhiệt độ bề mặt giữa khu vực đô thị và vùng xung quanh trong nghiên cứu này dao động trong khoảng từ 5 - 60C.