MỞ ĐẦU I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Với tổng diện tích tự nhiên 3.344,6 km2, dân số trên 6,5 triệu người, không chỉ là Thủ đô có quy mô lớn thứ 17 trên thế giới mà còn là địa phương đứng đầu cả nước về diện tích tự nhiên, đứng thứ hai về diện tích đô thị và thứ hai về dân số sau TP Hồ Chí Minh. Hà Nội còn là một trung tâm chính trị, kinh tế và văn hoá lớn của cả nước. Trong những năm gần đây cùng với TP Hồ Chí Minh, Hà Nội là một điểm rất nóng của cả nước về tình trạng úng ngập.
Hàng năm cứ vào mùa mưa, không chỉ khu vực nội thành mà rất nhiều khu vực ngoại thành đều bị úng ngập với mức độ lớn mà điển hình nhất là trận mưa úng xảy ra vào những ngày cuối tháng 10 đầu tháng 11 năm 2008 đã làm hầu hết các khu vực của TP Hà Nội và các vùng lân cận bị ngập sâu nhiều ngày liền. Úng ngập ở Hà Nội không chỉ có tác động tiêu cực đến mọi mặt của đời sống kinh tế - xã hội mà còn ảnh hưởng xấu đến hình ảnh của một thủ đô đang trong quá trình phát triển để hướng tới một đô thị văn minh, hiện đại. Trong nhiều năm qua trên địa bàn Hà Nội đã có nhiều dự án quy hoạch tiêu nước được nghiên cứu, nhiều công trình tiêu được đầu tư xây dựng nhưng tình trạng úng ngập vẫn chưa cải thiện nhiều. Trong rất nhiều nguyên nhân dẫn đến tình trạng nói trên, có nguyên nhân quan trọng là chưa có những cơ sở khoa học thực sự xác đáng để đề xuất giải pháp tiêu nước và quy mô công trình tiêu phù hợp với các điều kiện tự nhiên, kinh tế và xã hội của khu vực.
Vì những lý do trên, việc tìm giải pháp tiêu nước hợp lý và có hiệu quả cho thành phố Hà Nội nói chung và của đô thị trung tâm Hà Nội nói riêng đang là mối quan tâm lớn của các cấp, các ngành, các nhà chuyên môn và toàn thể nhân dân Thủ đô, và đó cũng là lý do để hình thành đề tài: “Nghiên cứu cơ sở khoa học đề xuất giải pháp tiêu nước và quy mô công trình tiêu trên địa bàn thành phố Hà Nội” trong đề tài nghiên cứu ở Luận án này. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Xây dựng được cơ sở khoa học về đề xuất giải pháp tiêu nước, xác định quy mô công trình tiêu nước chủ yếu phù hợp với điều kiện tự nhiên và quá trình phát triển kinh tế - xã hội của TP Hà Nội trong tình hình đang mở rộng đất đô thị. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống tiêu thoát nước mưa đô thị và các giải pháp tiêu nước của hệ thống đó. - Về phạm vi đối tượng, các nghiên cứu của đề tài được giới hạn tập trung vào các công trình tiêu nước chủ yếu (trạm bơm đầu mối, hồ điều hòa, các trục tiêu chính, các công trình điều tiết chính) trong hệ thống tiêu thoát nước.
Các đối tượng khác (mạng 1 lưới thoát nước tiểu khu, mạng lưới thoát nước đường phố hoặc khu vực, các hồ nhỏ.) được đưa vào hệ thống như là các thông số đầu vào đã biết. - Về phạm vi không gian, các nghiên cứu được giới hạn ở vùng tiêu đô thị trung tâm của thành phố Hà Nội. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Nội dung nghiên cứu Luận án sẽ đi sâu nghiên cứu cơ sở khoa học các vấn đề chính sau đây: 1) Đánh giá các nghiên cứu về thoát nước đô thị TP Hà Nội.
2) Xây dựng bài toán tối ưu hóa các thông số kỹ thuật cơ bản của các công trình tiêu nước chủ yếu. 3) Mô hình hóa hệ thống tiêu thoát nước đô thị trung tâm của TP Hà Nội và tiến hành các phân tích thủy lực - thủy văn của hệ thống đã được mô phỏng với các lời giải khác nhau của toán tối ưu hóa được lập. 4) Đề xuất giải pháp kỹ thuật, cải tiến bố trí một số công trình tiêu nước chủ yếu. Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện mục tiêu và nội dung nghiên cứu đề ra, đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu sau: 1) Phương pháp kế thừa Tiếp thu và sử dụng có chọn lọc kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước về những vấn đề liên quan đến đề tài vào trường hợp cụ thể của TP Hà Nội.
2) Phương pháp điều tra thu thập và phân tích tổng hợp Điều tra, thu thập, phân tích, đánh giá và tổng hợp các tài liệu để từ đó xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ cho công việc nghiên cứu. 3) Phương pháp thống kê xác suất Dùng để tính toán xác định các đặc trưng khí tượng, thủy văn thiết kế phục vụ nghiên cứu đề tài. 4) Phương pháp phân tích hệ thống Phân tích hệ thống tiêu thoát nước một cách đồng bộ nhất tới mức có thể. Hệ thống sẽ bao gồm các phần tử thủy lực và mối liên hệ chúng, đồng thời xét mối liên hệ của hệ thống với môi trường bên ngoài thông qua các điều kiện biên.
5) Phương pháp phân tích tối ưu Phương pháp này được sử dụng để xác định quy mô và thông số cơ bản của các 2 công trình tiêu nước trong vùng nghiên cứu với việc xây dựng bài toán tối ưu, bao gồm các công việc: lập hàm mục tiêu, xác định các thông số điều khiển, lựa chọn phương pháp giải và tìm lời giải tối ưu. 6) Phương pháp mô hình toán thủy văn - thủy lực Phương pháp này được sử dụng để phục vụ tính toán xác định các công trình tiêu nước phù hợp, kiểm tra các ràng buộc của các thông số cơ bản của hệ thống tiêu thoát nước về đảm bảo khống chế úng ngập. Trong nghiên cứu sẽ phân tích một số mô hình toán thủy văn - thủy lực chuyên dụng và lựa chọn mô hình phù hợp để áp dụng. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA NGHIÊN CỨU Ý nghĩa khoa học: Luận án cung cấp phương pháp luận khoa học đáng tin cậy về việc áp dụng bài toán tối ưu hóa với sự trợ giúp của mô hình SWMM trong tính toán tiêu thoát nước cho các khu đô thị trong quá trình phát triển.
Ý nghĩa thực tiễn: Qua nghiên cứu này, đã đề xuất được giải pháp tiêu nước, bố trí các công trình tiêu chính chính của hệ thống tiêu thoát nước trên địa bàn thành phố Hà Nội cùng với quy mô và các thông số cơ bản của các công trình đó. Kết quả nghiên cứu có thể được tham khảo trong các công tác: lập quy hoạch chi tiết, thiết kế, xây dựng và vận hành hệ thống tiêu thoát nước đô thị trung tâm TP Hà Nội và các khu vực khác có điều kiện tương tự. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 1) Xây dựng và giải thành công bài toán tối ưu hóa quy mô của công trình tiêu nước trong hệ thống tiêu thoát nước, trong đó có các trạm bơm đầu mối và các hồ điều hòa nước mưa, với sự trợ giúp của mô hình SWMM. 2) Mô hình hóa toàn bộ hệ thống tiêu thoát nước của đô thị trung tâm mới của TP Hà Nội một cách đồng bộ từ các tiểu lưu vực (các khu phố, các ô đất nông nghiệp) đến toàn bộ vùng nghiên cứu rộng lớn, từ mạng lưới thoát nước đường phố hoặc mạng kênh cấp dưới đến công trình đầu mối, bao gồm hầu hết các loại đối tượng của hệ thống cùng các thuộc tính của chúng một cách khá đầy đủ và chi tiết.
Từ đó, mô hình có khả năng biểu diễn gần sát với bản chất vật lý của các quá trình hoạt động của hệ thống. Mô hình này có thể được áp dụng cho các công việc khác như công tác điều hành, vận hành và duy tu hệ thống tiêu thoát nước. 3) Đề xuất bố trí các công trình chính của hệ thống tiêu thoát nước của đô thị trung tâm TP Hà Nội, bao gồm: các trạm bơm, các hồ điều hoà, các kênh trục, các cống điều tiết chính. và các thông số cơ bản của các công trình đó.
Đặc biệt, đề xuất bố trí trạm bơm tiêu đầu mối Hiền Giang tại vị trí cuối lưu vực nơi Sông Nhuệ cắt đường VĐ4 để hoàn thiện việc tạo thành một vùng tiêu độc lập, chủ động tiêu nước cho một vùng có 3 mức ưu tiên chống ngập cao của Thủ đô. Đồng thời, đưa ra biện pháp phối hợp làm việc giữa các trạm bơm đầu mối (Yên Sở, Yên Nghĩa, Liên Mạc, Yên Thái, Đào Nguyên, Nam Thăng Long, Đông Mỹ, Hiền Giang) nhằm tăng hiệu quả chống úng cũng như giảm thiểu quy mô thiết kế công trình. 4 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU 1. GIỚI THIỆU VÙNG NGHIÊN CỨU 1.
Vị trí địa lý Hà Nội nằm về phía Tây Bắc của trung tâm vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng, có vị trí từ 20°53' đến 21°23' vĩ độ Bắc và 105°44' đến 106°02' kinh độ Đông, tiếp giáp với các tỉnh Thái Nguyên, Vĩnh Phúc ở phía Bắc, Hà Nam, Hòa Bình phía Nam, Bắc Giang, Bắc Ninh và Hưng Yên ở phía Đông, Hòa Bình và Phú Thọ ở phía Tây. Sau khi mở rộng địa giới hành chính vào tháng 8 năm 2008, thành phố có diện tích 3.325 km2, nằm ở cả hai bên bờ sông Hồng, nhưng tập trung chủ yếu bên hữu ngạn. Lưu vực của hệ thống tiêu thoát nước đô thị trung tâm TP Hà Nội ở nghiên cứu này được giới hạn trong phạm vi đường VĐ4 và đê hữu sông Hồng (Hình 1. ) với các giới hạn: - Phía bắc, đông bắc và đông được giới hạn bởi đê hữu sông Hồng; - Phía tây được giới hạn bởi đê tả sông Đáy; - Phía nam và tây nam được giới hạn bởi đường Vành Đai 4.
Tổng diện tích lưu vực tiêu này là 37.050 ha, hoàn toàn nằm trong ranh giới đô thị trung tâm TP Hà Nội phần phía nam sông Hồng theo Quy hoạch chung xây dựng Thủ đô Hà Nội đến năm 2030 và tầm nhìn đến năm 2050 (Hình 1. Điều kiện tự nhiên 1. Khí hậu, khí tượng Khu vực nghiên cứu nằm giữa vùng đồng bằng Bắc Bộ nên mang các đặc điểm điển hình của khí hậu vùng đồng bằng. Đó là kiểu khí hậu nhiệt đới gió mùa có mùa đông lạnh, cuối mùa ẩm ướt với hiện tượng mưa phùn, mùa hạ nóng và nhiều mưa.
Nhiệt độ Khu vực Hà Nội có nhiệt độ trung bình năm khoảng 23oC÷24oC. Hàng năm có 3 tháng (XII÷II) nhiệt độ trung bình giảm xuống dưới 20oC. Tháng I lạnh nhất, có nhiệt độ trung bình khoảng 16oC. Mùa hè gồm 5 tháng (V÷IX) nhiệt độ trung bình trên 25oC.
