Tổng quan nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa diễn ra nhanh chóng tại Thủ đô Hà Nội đã nâng tỷ lệ đô thị hóa từ 30,5% năm 2010 lên khoảng 40% năm 2020, tạo ra áp lực rất lớn đối với hạ tầng kỹ thuật đô thị. Tại quận Hai Bà Trưng, một địa bàn trọng điểm có diện tích tự nhiên 10,26 km2 với quy mô dân số đạt 303.586 người vào năm 2019, sự bùng nổ của hơn 20 khu đô thị mới đã làm thay đổi sâu sắc bề mặt đệm, suy giảm diện tích thấm tự nhiên và gia tăng nhanh chóng lượng nước chảy tràn. Trong khi đó, đặc trưng khí hậu nhiệt đới gió mùa mang lại tổng lượng mưa hàng năm từ 1.554 mm đến 1.836 mm với 130 đến 140 ngày mưa mỗi năm, cùng các đợt mưa cực đoan như trận mưa lịch sử năm 2008 lên tới 564,1 mm trong 3 ngày, đã gây nên tình trạng úng ngập kéo dài tại nhiều khu dân cư và tuyến phố chính.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là đánh giá toàn diện hiện trạng mạng lưới tiêu thoát nước, phân tích các nguyên nhân gây ngập và ứng dụng mô hình số trị SWMM để tính toán diễn toán dòng chảy cho toàn bộ lưu vực quận Hai Bà Trưng. Nghiên cứu thực hiện đánh giá thủy lực với chuỗi số liệu thực đo các trận mưa lớn năm 2012 và kịch bản mưa thiết kế chu kỳ lặp lại 10 năm theo tiêu chuẩn hiện hành. Từ đó, đề tài đề xuất chuyển đổi mô hình thoát nước truyền thống sang các giải pháp thoát nước đô thị bền vững theo hướng phát triển tác động thấp. Kết quả nghiên cứu cung cấp luận cứ khoa học giúp giảm từ 50% đến 93% lưu tốc dòng chảy mặt, cắt giảm đỉnh lũ và bảo đảm an toàn thoát nước cho khu vực nội đô trong giai đoạn 2026-2030.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng hệ thống lý thuyết về Hệ thống thoát nước đô thị bền vững (SuDS) và mô hình Phát triển tác động thấp (LID). Đây là các phương pháp tiếp cận tiên tiến trên thế giới nhằm tái lập chu trình thủy văn tự nhiên thông qua các cơ chế thấm, giữ nước, bốc hơi và lọc sinh học phi tập trung ngay tại nguồn phát sinh dòng chảy.

Cơ sở tính toán thủy văn và thủy lực dựa trên mô hình hồ chứa phi tuyến kết hợp phương trình liên tục và công thức thực nghiệm Manning-Strickler để mô phỏng dòng chảy mặt trên từng tiểu lưu vực. Cơ chế thấm nước mưa vào các tầng đất chưa bão hòa được lượng hóa thông qua các phương trình thấm kinh điển như mô hình Horton và Green-Ampt. Để diễn toán sự vận chuyển dòng chảy trong mạng lưới cống và kênh hở, nghiên cứu áp dụng phương pháp diễn toán sóng động lực (Dynamic Wave Routing), cho phép mô phỏng chính xác hiện tượng dòng chảy ngược, tổn thất áp lực và ngập tại các nút giao. Khung lý thuyết còn tích hợp Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 7957:2008 để thiết lập đường quan hệ cường độ - thời gian - tần suất mưa (IDF) tại Hà Nội với các tham số thực nghiệm A = 5890, b = 20, C = 0,65 và n = 0,84. Các khái niệm cốt lõi được chuẩn hóa gồm hệ số dòng chảy mặt, bề mặt không thấm nước (chiếm khoảng 75% diện tích lưu vực), dung tích điều hòa và hiệu quả giảm tải lưu lượng đỉnh lũ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu đa ngành đáng tin cậy, bao gồm bản đồ địa hình tỷ lệ 1:2000 và 1:5000 do Cục Đo đạc và Bản đồ Nhà nước lập, bản đồ hiện trạng san nền thoát nước của Bộ Xây dựng và hồ sơ quản lý mạng lưới cống ngầm từ Công ty TNHH MTV Thoát nước Hà Nội với 180 km cống chính và 190 km cống ngõ xóm.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao phủ 100% diện tích lưu vực quận Hai Bà Trưng rộng 10,26 km2, được phân chia chi tiết thành các tiểu lưu vực, nút thu nước và các tuyến cống dẫn. Phương pháp chọn mẫu dữ liệu thủy văn sử dụng chuỗi số liệu quan trắc mưa theo giờ tại Trạm khí tượng Láng và Trạm Vân Hồ. Lý do lựa chọn mô hình SWMM của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) là vì mô hình có khả năng mô phỏng đồng thời các quá trình thủy văn phức tạp, xử lý tốt các mạng lưới cống có độ dốc đáy nhỏ, đồng thời tích hợp sẵn các mô-đun công trình LID chuyên biệt. Timeline nghiên cứu thực hiện hiệu chỉnh mô hình với trận mưa từ ngày 21 đến 26/5/2012 (tổng lượng mưa 203,6 mm, đỉnh mưa 50,9 mm/h) và kiểm nghiệm mô hình với trận mưa từ ngày 17 đến 23/8/2012 (tổng lượng mưa 318,1 mm, đỉnh mưa 46,3 mm/h), đánh giá độ chính xác thông qua chỉ số hiệu quả Nash-Sutcliffe.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, hệ thống cống thoát nước của quận Hai Bà Trưng phần lớn được xây dựng từ trước năm 1954, có tuổi thọ từ 50 đến 100 năm và chỉ được thiết kế theo phương thức tự chảy cho quy mô 20 vạn dân. Hiện nay, mật độ cống ngõ xóm mới đạt 190 km trên tổng số 641 km ngõ xóm (chiếm tỷ lệ 29%), khẩu độ cống tròn chủ yếu từ 400 mm đến 1200 mm với độ dốc rất nhỏ từ 0,0001 đến 0,0005 gây bồi lắng bùn cát nghiêm trọng, khiến khả năng tiêu thoát chỉ đáp ứng được các trận mưa có chu kỳ lặp lại 1,0 đến 1,2 năm.

Thứ hai, hai trục tiêu chính của quận là sông Kim Ngưu (chiều dài 11,9 km, diện tích lưu vực 17,3 km2, khả năng thoát nước 15 m3/s) và sông Sét (chiều dài 6,7 km, diện tích lưu vực 7,1 km2, khả năng thoát nước 8 m3/s) đóng vai trò chuyển nước về trạm bơm đầu mối Yên Sở. Tuy nhiên, khi trạm bơm vận hành ở công suất giai đoạn I là 45 m3/s và giai đoạn II là 90 m3/s, mực nước tại các cửa xả vẫn dâng cao do độ dốc địa hình thấp (cao độ mặt đất nhiều nơi dưới 4,5 m), cản trở khả năng tự chảy của cống nhánh.

Thứ ba, mô phỏng trận mưa thiết kế 24 giờ với chu kỳ lặp lại 10 năm (tổng lượng mưa phân phối theo phương pháp khối xen kẽ Chow với đỉnh mưa đạt 109,9 mm ở giờ thứ 12) cho thấy mực nước tràn qua miệng hố ga tại hàng loạt tuyến phố như Giải Phóng, Minh Khai, Bà Triệu và Lê Duẩn, gây ngập úng sâu từ 0,2 m đến 0,5 m.

Thứ tư, việc đưa các công trình thoát nước bền vững (LID) vào mô hình tính toán đã mang lại hiệu quả vượt bậc: tốc độ dòng chảy mặt tại các tiểu lưu vực giảm trung bình từ 50% đến 93%, đồng thời cắt giảm tổng thể tích nước tràn bề mặt từ 30% đến 45% trong toàn lưu vực.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi gây ngập úng tại quận Hai Bà Trưng bắt nguồn từ sự mất cân đối nghiêm trọng giữa tốc độ bê tông hóa bề mặt và năng lực tiếp nhận của hệ thống ngầm. Tỷ lệ diện tích thấm giảm xuống chỉ còn khoảng 25%, khiến hệ số dòng chảy mặt tăng cao và rút ngắn thời gian tập trung nước về các hố ga.

Dữ liệu thủy lực được biểu diễn trực quan qua biểu đồ so sánh đường mực nước tính toán và mực nước đo đạc thực tế tại vị trí cọc KN017 trên sông Kim Ngưu, cho thấy đường quá trình mực nước mô phỏng bám rất sát diễn biến thực đo. Chỉ số Nash-Sutcliffe tính toán được đạt mức trên 0,75, khẳng định độ tin cậy cao của bộ thông số nhám Manning và hệ số thấm đã hiệu chỉnh. Bảng trắc dọc các tuyến sông Kim Ngưu và sông Sét phản ánh rõ hiện tượng thắt hẹp cục bộ tại 19 vị trí cầu vượt sông, tạo ra các vùng nước dâng cục bộ phía thượng lưu. So sánh với các giải pháp truyền thống vốn đòi hỏi kinh phí giải phóng mặt bằng hàng trăm triệu USD để mở rộng đường cống, việc phân tán dòng chảy thông qua 8 hồ điều hòa (tiêu biểu như hồ Thiền Quang diện tích 5,2 ha, dung tích chứa tối đa 114.300 m3) kết hợp các cấu kiện LID là hướng đi tối ưu cả về kinh tế lẫn môi trường đô thị.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm giải quyết triệt để tình trạng úng ngập và nâng cao tính bền vững cho hệ thống thoát nước quận Hai Bà Trưng, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp công trình và phi công trình cụ thể:

Thứ nhất, triển khai lắp đặt hệ thống thu gom và trữ nước mưa phân tán (LID Loại I) tại các hộ gia đình và công trình công cộng. Giải pháp sử dụng các thùng chứa nước mưa kết hợp bể lắng cát để tái sử dụng nước cho tưới cây và vệ sinh, đặt mục tiêu cắt giảm từ 15% đến 20% lượng nước mặt đỉnh trong giai đoạn 2026-2028, do Ủy ban Nhân dân Quận Hai Bà Trưng chủ trì thực hiện.

Thứ hai, nhân rộng mô hình mái nhà xanh (LID Loại II) tại các tòa nhà cao tầng, trụ sở cơ quan và khu đô thị mới. Bắt buộc chuyển đổi tối thiểu 20% đến 30% diện tích mái bằng thành lớp thảm thực vật che phủ nhằm hấp thụ và lưu giữ từ 40% đến 50% lượng nước mưa rơi trực tiếp, thực hiện trong giai đoạn 2026-2030 dưới sự thẩm định và giám sát của Sở Xây dựng Hà Nội.

Thứ ba, ứng dụng vật liệu mặt đường thấm nước và hố cây lọc sinh học (LID Loại III) trên các tuyến vỉa hè, dải phân cách và bãi đỗ xe công cộng. Thay thế kết cấu bê tông đặc bằng bê tông rỗng hoặc nhựa đường xốp để đạt mục tiêu giảm từ 50% đến 93% tốc độ dòng chảy tràn, triển khai từ năm 2027 đến 2030 do Công ty TNHH MTV Thoát nước Hà Nội tổ chức thi công.

Thứ tư, nạo vét định kỳ lòng dẫn hai trục tiêu sông Kim Ngưu, sông Sét và tối ưu hóa quy trình điều tiết 8 hồ chứa trên địa bàn. Duy trì mực nước đệm trước mưa tại các hồ ở cao độ +3,5 m và nạo vét lòng hồ đạt cốt đáy +0,5 m hàng năm, do Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội phối hợp các đơn vị liên quan vận hành thường xuyên trước mùa mưa bão.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

Thứ nhất, các cơ quan quản lý nhà nước và viện nghiên cứu quy hoạch đô thị như Sở Xây dựng Hà Nội, Viện Quy hoạch Xây dựng Hà Nội; ứng dụng tài liệu để hoàn thiện quy chuẩn san nền, tích hợp hạ tầng thoát nước xanh vào đồ án quy hoạch phân khu đô thị H1-4 quận Hai Bà Trưng quy mô 10,26 km2.

Thứ hai, các đơn vị quản lý, vận hành và khai thác công trình thoát nước như Công ty TNHH MTV Thoát nước Hà Nội; sử dụng mô hình SWMM đã thiết lập để xây dựng kịch bản vận hành chủ động trạm bơm đầu mối Yên Sở từ công suất 45 m3/s lên 90 m3/s khi có mưa bão lớn.

Thứ ba, các chủ đầu tư, kỹ sư hạ tầng và đơn vị tư vấn thiết kế tại hơn 20 khu đô thị mới; tham khảo thông số kỹ thuật của các cấu kiện hố trồng cây bê tông cốt thép, mái xanh và mặt đường thấm để tối ưu hóa cảnh quan sinh thái và đáp ứng tiêu chuẩn cân bằng thủy văn.

Thứ tư, giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Cấp thoát nước, Kỹ thuật Tài nguyên nước và Môi trường đô thị; sử dụng làm tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp phân phối mưa khối xen kẽ Chow và kỹ thuật kiểm định chỉ số Nash-Sutcliffe trong mô hình hóa thủy lực.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao quận Hai Bà Trưng vẫn ngập úng dù trạm bơm Yên Sở đã nâng công suất lên 90 m3/s? Trạm bơm Yên Sở giải quyết bài toán tiêu thoát cho toàn vùng hạ du Hà Nội, nhưng ngập úng tại quận Hai Bà Trưng mang tính cục bộ. Mạng lưới cống xây dựng từ năm 1939 có khẩu độ nhỏ từ 400 mm đến 1200 mm và độ dốc đáy chỉ 0,0001 đến 0,0005, khiến nước mưa không thể chảy kịp về sông Kim Ngưu và sông Sét khi gặp mưa lớn.

Mô hình SWMM trong luận văn được hiệu chỉnh và kiểm định bằng dữ liệu thực tế nào? Mô hình được xây dựng dựa trên số liệu mưa Trạm Láng và kiểm định qua hai trận mưa thực tế năm 2012: trận mưa hiệu chỉnh từ ngày 21 đến 26/5/2012 đạt 203,6 mm và trận mưa kiểm nghiệm từ ngày 17 đến 23/8/2012 đạt 318,1 mm. Kết quả đường mực nước mô phỏng tại sông Kim Ngưu đạt chỉ số Nash trên 0,75, khẳng định độ chính xác cao.

Giải pháp mái nhà xanh mang lại hiệu quả giảm ngập cụ thể ra sao trong đô thị? Mái nhà xanh hoạt động như một lớp đệm giữ nước tự nhiên. Lớp thảm thực vật và giá thể đất xốp có khả năng giữ lại từ 40% đến 60% lượng nước mưa của các trận mưa vừa và nhỏ, đồng thời làm chậm thời gian tập trung dòng chảy tràn từ 30 đến 45 phút, giảm áp lực xả đột ngột xuống mạng lưới cống ngầm.

Vật liệu bê tông thấm và hố cây lọc sinh học giúp giảm dòng chảy mặt như thế nào? Bê tông rỗng và hố cây cấu tạo bằng bê tông cốt thép cho phép nước mưa thấm trực tiếp qua các lỗ xốp xuống lòng đất hoặc tầng thu ngầm. Các thử nghiệm thực tế chứng minh giải pháp này giúp giảm từ 50% đến 93% lưu tốc dòng chảy mặt, đồng thời giữ lại bùn cát và các chất ô nhiễm lơ lửng trước khi xả ra nguồn tiếp nhận.

Làm thế nào để vận hành tối ưu 8 hồ điều hòa trên địa bàn quận trước các trận mưa lớn? Tám hồ điều hòa, tiêu biểu như hồ Thiền Quang diện tích 5,2 ha với dung tích chứa tối đa 114.300 m3, cần được nạo vét đáy đến cốt +0,5 m. Trước khi có dự báo mưa bão lớn, đơn vị quản lý chủ động hạ thấp mực nước hồ xuống cốt +3,5 m để tạo dung tích phòng lũ tối đa, đón nhận dòng chảy mặt từ các tiểu lưu vực.

Kết luận

  • Đánh giá toàn diện hiện trạng úng ngập tại quận Hai Bà Trưng, chỉ rõ nguyên nhân từ hệ thống cống ngầm xây dựng từ năm 1939 bị quá tải và độ dốc đáy rất thấp (i = 0,0001 - 0,0005) trong bối cảnh bề mặt không thấm chiếm tới 75%.
  • Thiết lập thành công mô hình toán SWMM mô phỏng chính xác mạng lưới thoát nước trên diện tích 10,26 km2, được kiểm chứng qua các trận mưa thực đo 203,6 mm và 318,1 mm với chỉ số Nash đạt trên 0,75.
  • Lượng hóa tác động của trận mưa thiết kế chu kỳ 10 năm (đỉnh mưa 109,9 mm/h), xác định chi tiết các điểm ngập úng trọng yếu trên các tuyến đường chính như Giải Phóng, Minh Khai, Bà Triệu.
  • Đề xuất 4 giải pháp thoát nước bền vững (LID) đồng bộ, chứng minh hiệu quả giảm tốc độ dòng chảy mặt từ 50% đến 93% và giảm tổng lượng nước tràn bề mặt từ 30% đến 45%.
  • Xác định lộ trình triển khai hạ tầng xanh từ năm 2026 đến năm 2030, kết hợp khai thác hiệu quả dung tích trữ 114.300 m3 của hồ Thiền Quang và mạng lưới hồ điều tiết trên địa bàn.

Công trình nghiên cứu của tác giả Lê Phan Hương Thủy là đóng góp học thuật và thực tiễn quan trọng, mở ra hướng đi bền vững cho công tác quản lý ngập lụt đô thị. Các nhà quản lý, đơn vị vận hành và chuyên gia quy hoạch hãy ứng dụng ngay mô hình SWMM và giải pháp LID để nâng cao khả năng thích ứng cho đô thị hiện đại.