Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với 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" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Lê Văn Trường, dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Dương Thanh Lượng và GS. Nguyễn Quang Kim. Công trình được bảo vệ năm 2017 tại Trường Đại học Thủy lợi thuộc chuyên ngành Quy hoạch quản lý tài nguyên nước, mã số đào tạo 62-62-30-01.

+-----------------------------------------------------------------------------------------+
| THÔNG TIN TỔNG QUAN VỀ LUẬN ÁN TIẾN SĨ                                                  |
+----------------------+------------------------------------------------------------------+
| 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                    |
| Tác giả (NCS)        | Lê Văn Trường                                                    |
| Người hướng dẫn      | 1. GS. Dương Thanh Lượng                                         |
|                      | 2. GS. Nguyễn Quang Kim                                          |
| Cơ sở đào tạo        | Trường Đại học Thủy lợi                                          |
| Chuyên ngành         | Quy hoạch quản lý tài nguyên nước (Mã số: 62-62-30-01)           |
| Năm hoàn thành       | 2017                                                             |
+----------------------+------------------------------------------------------------------+

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Thành phố Hà Nội sau khi mở rộng địa giới hành chính năm 2008 có diện tích tự nhiên 3.344,6 km² (trong đó phần diện tích được thống kê theo ranh giới hành chính là 3.325 km²) và dân số trên 6,5 triệu người tại thời điểm khảo sát. Quá trình đô thị hóa nhanh chóng đã làm thay đổi sâu sắc bề mặt đệm, chuyển đổi phần lớn đất nông nghiệp thành các khu đô thị và công nghiệp, dẫn tới hệ số dòng chảy mặt tăng cao và thời gian tập trung dòng chảy rút ngắn. Mặc dù nhiều dự án quy hoạch tiêu thoát nước đã được triển khai, tình trạng ngập úng nghiêm trọng vẫn thường xuyên diễn ra trong mùa mưa. Trận mưa lịch sử từ ngày 30/10 đến 03/11/2008 làm ngập trên diện rộng với tổng thiệt hại ước tính 3.132 tỷ đồng, làm ngập trắng hơn 56.500 ha rau màu, 2.400 ha lúa, 2.200 ha cây ăn quả và 9.700 ha nuôi trồng thủy sản. Trận mưa ngày 24–25/5/2016 tiếp tục gây ngập sâu từ 0,2 m đến 0,5 m tại 26 điểm trọng yếu ở khu vực nội thành.

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến tình trạng này là hệ thống tiêu thoát nước chưa được xây dựng đồng bộ; công suất các trạm bơm tiêu đầu mối mới chỉ đạt 114 m³/s (tại 3 trạm: Yên Sở, Đào Nguyên, Nam Thăng Long), thiếu hụt lớn so với tổng nhu cầu tính toán khoảng 503 m³/s. Đồng thời, giữa các đồ án quy hoạch trước đây tồn tại nhiều mâu thuẫn về thông số kỹ thuật công trình, thiếu cơ sở khoa học xác đáng trong việc tối ưu hóa mối quan hệ giữa quy mô trạm bơm và hồ điều hòa, cũng như chưa có mô hình mô phỏng thủy lực đồng bộ gắn với các kịch bản điều hành liên hoàn toàn hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng 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 thành phố Hà Nội trong bối cảnh mở rộng không gian đô thị.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống tiêu thoát nước mưa đô thị và các giải pháp kỹ thuật tiêu thoát nước của hệ thống.
  • Phạm vi đối tượng: Tập trung nghiên cứu các công trình tiêu nước chủ yếu, bao gồm: các trạm bơm đầu mối, hệ thống hồ điều hòa nước mưa, các trục kênh tiêu chính và các công trình cống điều tiết đầu mối. Các công trình mạng lưới cấp dưới (cống nhánh đường phố, cống tiểu khu, ao hồ nhỏ) được tích hợp vào mô hình dưới dạng các thông số đầu vào.
  • Phạm vi không gian: Vùng tiêu đô thị trung tâm thành phố Hà Nội nằm ở hữu ngạn sông Hồng, được bao bọc bởi đê hữu sông Hồng (phía bắc, đông bắc, đông), đê tả sông Đáy (phía tây) và đường Vành đai 4 (phía nam và tây nam), với tổng diện tích tự nhiên là 37.050 ha.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu và đồ án quy hoạch tiền nhiệm

Luận án đã tổng hợp, phân tích có hệ thống các đồ án quy hoạch tiêu thoát nước và công trình nghiên cứu liên quan đến khu vực Hà Nội:

  1. Dự án thoát nước Hà Nội giai đoạn I và II do JICA tài trợ (1994–2015): Quy hoạch tiêu thoát nước cho 135,4 km² (lưu vực sông Tô Lịch 77,5 km² và lưu vực sông Nhuệ 55,9 km²), xác định chu kỳ bảo vệ 10 năm ($P = 10%$, mưa 310 mm/2 ngày) cho sông mương và chu kỳ 5 năm ($70\text{ mm/h}$) cho hệ thống cống ngầm.
  2. Quy hoạch tiêu nước hệ thống sông Nhuệ - QH937 (Quyết định 937/QĐ-TTg ngày 01/7/2009): Phạm vi 107.530 ha, chia làm 3 vùng tiêu (ra sông Hồng: 28.000 ha; ra sông Đáy: 36.000 ha; vào sông Nhuệ - sông Châu: 41.000 ha). Tiêu chuẩn tính toán: nội thành tiêu theo mưa 24 giờ ($P = 10%$), hệ số tiêu $q = 17,9\text{ l/s/ha}$ (đông Tô Lịch) và $19,7\text{ l/s/ha}$ (tây Tô Lịch); ngoại thành tiêu theo mưa 3 ngày tiêu 5 ngày ($q = 6 \div 8\text{ l/s/ha}$).
  3. Quy hoạch chung xây dựng Thủ đô Hà Nội đến 2030, tầm nhìn 2050 - QH1259 (Quyết định 1259/QĐ-TTg ngày 26/7/2011) và Quy hoạch thoát nước Thủ đô Hà Nội - QH725 (Quyết định 725/QĐ-TTg ngày 10/5/2013): Đề xuất mạng lưới cống riêng cho đô thị mới, hệ thống thoát nước chung cho đô thị cũ; bố trí tỷ lệ hồ điều hòa từ 5% đến 7% diện tích lưu vực; phân chia 3 vùng tiêu chính (Tả Đáy, Hữu Đáy, Bắc Hà Nội).
  4. Quy hoạch phát triển thủy lợi Hà Nội đến 2020, định hướng 2030 - QH4673 (Quyết định 4673/2012/QĐ-UBND ngày 03/7/2012): Đẩy mạnh các dự án theo QH937 và cập nhật QH1259.
  5. Các công trình học thuật tiêu biểu:
    • Luận án tiến sĩ của Nguyễn Song Dũng (2004) ứng dụng SWMM cho lưu vực sông Tô Lịch nhưng chưa mô phỏng máy bơm.
    • Luận án tiến sĩ của Lưu Văn Quân (2015) nghiên cứu hồ điều hòa vùng Tây Hà Nội (18.600 ha), đề xuất tỷ lệ hồ $f = 2,0% \div 3,82%$, công suất trạm bơm $Q = 622,85\text{ m}^3/\text{s}$ với $f = 2,91%$, nhưng chưa mô phỏng mạng lưới cống đường phố theo QH725 và chưa mô phỏng trạm bơm.
    • Luận văn thạc sĩ của Đặng Tiến Dũng (1999) sử dụng phương pháp Transfert cho nội thành và mô hình hồ chứa mặt ruộng cho ngoại thành.
    • Các nghiên cứu của Dương Thanh Lượng (2004, 2009, 2010) về mô phỏng SWMM, quan hệ lưu lượng trạm bơm Yên Sở và hồ điều hòa.
    • Đề tài cấp Bộ của Lê Quang Vinh (2007) và nhóm Dương Thanh Lượng, Lê Quang Vinh, Lê Văn Trường (2011) về ảnh hưởng của đô thị hóa tới hệ số tiêu nước.

Khoảng trống luận án giải quyết

Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tính toán riêng rẽ cho từng lưu vực thành phần, chưa xem xét toàn diện mối liên hệ thủy lực trên toàn bộ vùng đô thị trung tâm. Các thông số về quy mô trạm bơm và diện tích hồ điều hòa giữa các đồ án quy hoạch có sự chênh lệch lớn (ví dụ: Trạm bơm Yên Sở được quy định $145\text{ m}^3/\text{s}$ trong QH937/QH1259 nhưng giảm xuống $90\text{ m}^3/\text{s}$ trong QH725; trạm bơm Đào Nguyên dao động từ $15\text{ m}^3/\text{s}$ đến $25\text{ m}^3/\text{s}$; các hồ điều hòa có sai lệch lớn về số lượng và diện tích). Chưa có nghiên cứu nào xây dựng bài toán tối ưu hóa kinh tế - kỹ thuật đồng thời giữa quy mô trạm bơm và diện tích hồ điều hòa trên nền mô hình thủy lực chi tiết toàn hệ thống, có xét đến quy trình vận hành liên hoàn giữa các công trình đầu mối.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích tối ưu hóa

Luận án thiết lập bài toán tối ưu hóa hệ thống tiêu thoát nước nhằm tìm kiếm sự cân bằng kinh tế - kỹ thuật giữa hai nhóm công trình: trạm bơm tiêu đầu mối và hồ điều hòa nước mưa.

  • Hàm mục tiêu: Cực tiểu hóa tổng chi phí đầu tư xây dựng hệ thống công trình đầu mối: $$\min C_T = C_{TB}(Q) + C_{HĐ}(F)$$ Trong đó: $C_{TB}(Q)$ là hàm chi phí xây dựng trạm bơm theo lưu lượng thiết kế $Q$; $C_{HĐ}(F)$ là hàm chi phí xây dựng hồ điều hòa theo diện tích mặt nước $F$.
  • Thông số điều khiển: Tổng lưu lượng tiêu của trạm bơm đầu mối ($Q$) và tổng diện tích hệ thống hồ điều hòa ($F$ hoặc tỷ lệ diện tích $f = F / F_{LV}$).
  • Điều kiện ràng buộc: Mực nước lớn nhất tại các điểm khống chế trên hệ thống trong suốt quá trình tiêu không được vượt quá cao trình khống chế cho phép ($Z_{max} \le Z_{cp}$), cụ thể:
    • Ràng buộc mực nước tại khu vực Tây Hà Nội: $Z_{maxHĐ}(Q, F) \le 4,50\text{ m}$;
    • Ràng buộc mực nước tại lưu vực Hiền Giang: $Z_{maxHG}(Q, F) \le 3,60\text{ m}$;
    • Ràng buộc mực nước tại lưu vực Đông Mỹ: $Z_{maxĐM}(Q, F) \le 3,90\text{ m}$.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp 6 phương pháp nghiên cứu chuyên ngành:

  1. Phương pháp kế thừa: Tiếp thu có chọn lọc các kết quả nghiên cứu, tài liệu khí tượng, thủy văn và quy hoạch đã công bố.
  2. Phương pháp điều tra, thu thập và phân tích tổng hợp: Thu thập số liệu địa hình, cao độ san nền, hiện trạng các tuyến đê, kênh trục, trạm bơm và cống điều tiết trên địa bàn Hà Nội.
  3. Phương pháp thống kê xác suất: Xử lý chuỗi số liệu mưa, mực nước sông Hồng, sông Đáy, sông Nhuệ để tính toán các giá trị thiết kế tương ứng với tần suất $P = 1%, 5%, 10%, 20%$.
  4. Phương pháp phân tích hệ thống: Xem xét toàn bộ lưu vực tiêu 37.050 ha như một hệ thống thủy lực thống nhất, có tương tác qua lại giữa các tiểu lưu vực thông qua mạng lưới kênh dẫn và các công trình điều tiết.
  5. Phương pháp phân tích tối ưu: Sử dụng thuật toán quét lưới trong không gian hai chiều $(f, Q)$ với bước quét thay đổi để tìm nghiệm tối ưu thỏa mãn đồng thời các điều kiện biên thủy lực.
  6. Phương pháp mô hình toán thủy văn - thủy lực (Mô hình SWMM): Sử dụng mô hình Storm Water Management Model (SWMM) của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ. SWMM được lựa chọn sau khi so sánh với các phương pháp khác (phương pháp thủy nông, phương pháp cường độ giới hạn, mô hình Transfert, mô hình MIKE) nhờ khả năng mô phỏng chi tiết quá trình mưa - dòng chảy mặt, thấm (theo Horton và Green-Ampt), dòng chảy trong mạng lưới cống ngầm, kênh hở, tương tác nước ngầm hai vùng, hoạt động của máy bơm và quy trình đóng mở các cống điều tiết.
+-----------------------------------------------------------------------------------------+
| SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TIÊU NƯỚC MẶT                                         |
+---------------------+-------------------+---------------------+-------------------------+
| Phương pháp/Mô hình | Phạm vi ứng dụng  | Ưu điểm chính       | Hạn chế                 |
+---------------------+-------------------+---------------------+-------------------------+
| Hồ chứa mặt ruộng   | Nông nghiệp       | Đơn giản, dễ tính   | Không mô phỏng được cống|
|                     |                   |                     | ngầm và đô thị hóa cao  |
| Cường độ giới hạn   | Tiểu lưu vực nhỏ  | Tính nhanh lưu lượng| Bỏ qua dung tích trữ    |
|                     | đô thị            | đỉnh lũ             | và diễn toán mạng lưới  |
| Mô hình Transfert   | Lưu vực sông nội  | Xét được dòng chảy  | Hạn chế khi mô phỏng    |
|                     | thành             | chuyển tiếp         | trạm bơm và cống tự động|
| Mô hình MIKE        | Sông và đô thị    | Độ chính xác cao,   | Phức tạp trong cấu hình |
|                     |                   | đa dạng module      | liên hoàn đa công trình |
| Mô hình SWMM        | Đô thị hỗn hợp    | Tích hợp dòng chảy  | Cần dữ liệu đầu vào     |
| (Được chọn)         | nông nghiệp       | mặt, cống, kênh,    | chi tiết về mạng lưới   |
|                     |                   | hồ, bơm và điều tiết| và mặt đệm              |
+---------------------+-------------------+---------------------+-------------------------+

Nguồn số liệu và kiểm định mô hình

  • Số liệu khí tượng - thủy văn: Chuỗi số liệu đo đạc tại các trạm Láng, Hà Đông, Liên Mạc, Yên Sở, Ba Thá, Phủ Lý. Dạng mưa thiết kế 72 giờ tần suất $P = 10%$ được phân tích theo 2 dạng: Dạng 1 (mưa điển hình) và Dạng 2 (mưa tam giác đối xứng).
  • Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình: Được thực hiện trên kênh chính Yên Sở tại vị trí đập tràn C dựa trên số liệu thực đo của 3 trận mưa lớn: trận ngày 22–26/5/2012, trận ngày 17–21/8/2012 và trận ngày 24–28/5/2016. Đánh giá độ tin cậy thông qua hệ số hiệu quả Nash-Sutcliffe ($E_{NS}$), cho thấy đường quá trình mực nước tính toán bám sát diễn biến thực đo.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu

Chương 1 trình bày chi tiết về vị trí địa lý, đặc điểm tự nhiên, hiện trạng hạ tầng tiêu thoát nước và các định hướng phát triển không gian của vùng nghiên cứu 37.050 ha.

  • Đặc điểm khí tượng: Nhiệt độ trung bình năm đạt $23^\circ\text{C} \div 24^\circ\text{C}$ (tháng I thấp nhất khoảng $16,2^\circ\text{C}$, tháng VII cao nhất khoảng $28,9^\circ\text{C}$); độ ẩm trung bình năm từ 83% đến 85%; lượng bốc hơi bình quân năm đạt 1.002 mm (trạm Hà Nội) và 841,5 mm (trạm Hà Đông).
  • Đặc trưng lượng mưa ngày thiết kế lớn nhất:
+-----------------------------------------------------------------------------------------+
| LƯỢNG MƯA NGÀY LỚN NHẤT THEO TẦN SUẤT THIẾT KẾ TẠI CÁC TRẠM (ĐƠN VỊ: mm)                |
+----------+-----------------------+-----------------------+------------------------------+
| Trạm đo  | Tần suất P = 5%       | Tần suất P = 10%      | Lượng mưa thực đo năm 2008   |
|          | (1 ngày max / 3 ngày) | (1 ngày max / 3 ngày) | (1 ngày max / 5 ngày max)    |
+----------+-----------------------+-----------------------+------------------------------+
| Láng     | 251,83 / 387,67       | 218,09 / 338,14       | 405,0 / 577,0                |
| Hà Đông  | 252,69 / 386,55       | 220,46 / 337,38       | 530,0 / 835,0                |
| Liên Mạc | 244,19 / 386,60       | 212,81 / 336,92       | - / -                        |
+----------+-----------------------+-----------------------+------------------------------+
  • Mực nước thiết kế lớn nhất trên các sông chính:
    • Sông Hồng tại Hà Nội: $H_{max} = 13,82\text{ m}$ ($P = 1%$), $12,89\text{ m}$ ($P = 5%$), $12,43\text{ m}$ ($P = 10%$), $11,91\text{ m}$ ($P = 20%$).
    • Sông Nhuệ: Mực nước đỉnh lũ thực đo tại Hà Đông đạt $5,77\text{ m}$ (năm 1984), $5,79\text{ m}$ (năm 1994) và đạt đỉnh lịch sử $6,20\text{ m}$ (năm 2008). Mực nước đê sông Nhuệ biến đổi từ $+7,0\text{ m}$ (Liên Mạc) đến $+6,0\text{ m}$ (Lương Cổ).
  • Hiện trạng công trình tiêu: Hệ thống gồm trạm bơm Yên Sở ($90\text{ m}^3/\text{s}$), trạm bơm Đào Nguyên ($17,3\text{ m}^3/\text{s}$), các trạm bơm tiêu ra sông Nhuệ (Cổ Nhuế $12\text{ m}^3/\text{s}$, Đồng Bông 1 $20\text{ m}^3/\text{s}$, Đồng Bông 2 $9\text{ m}^3/\text{s}$, Khê Tang 2 $22,2\text{ m}^3/\text{s}$, Thạch Nham $11,1\text{ m}^3/\text{s}$...). Các trục tiêu gồm sông Nhuệ (dài 74 km, $Q_{TK} = 143,75\text{ m}^3/\text{s}$ tại Hà Đông), kênh La Khê (dài 6,8 km, $Q = 60\text{ m}^3/\text{s}$), sông Tô Lịch (dài 12,31 km). Các cống điều tiết gồm: Liên Mạc ($Q_{TK} = 36,25\text{ m}^3/\text{s}$), Hà Đông ($Q_{max} = 143,75\text{ m}^3/\text{s}$), La Khê ($Q_{max} = 60\text{ m}^3/\text{s}$), Thanh Liệt ($Q_{max} = 45\text{ m}^3/\text{s}$).
+-----------------------------------------------------------------------------------------+
| TỔNG HỢP SO SÁNH QUY MÔ TRẠM BƠM CHỦ YẾU THEO CÁC QUY HOẠCH                             |
+---------------------+-------------+-------------+-------------+-------------+-----------+
| Tên công trình      | QH937 (2009)|QH1259 (2011)|QH4673 (2012)| QH725 (2013)| Luận án   |
|                     | Q (m³/s)    | Q (m³/s)    | Q (m³/s)    | Q (m³/s)    | đánh giá  |
+---------------------+-------------+-------------+-------------+-------------+-----------+
| TB Yên Nghĩa        | 120         | 120         | 120         | 120         | Thống nhất|
| TB Liên Mạc         | 170         | 170         | 170         | 175         | Khá thống |
|                     |             |             |             |             | nhất      |
| TB Yên Thái         | 54          | 54          | 54          | 54          | Thống nhất|
| TB Đào Nguyên       | 15          | 25          | 25          | 25          | Chưa thống|
|                     |             |             |             |             | nhất      |
| TB Yên Sở           | 145         | 145         | 90          | 90          | Chưa thống|
|                     |             |             |             |             | nhất      |
| TB Đông Mỹ          | 35          | 35 ÷ 90     | 35          | 35          | Chưa thống|
|                     |             |             |             |             | nhất      |
| TB Hiền Giang       | Chưa bố trí | Chưa bố trí | Chưa bố trí | Chưa bố trí | Đề xuất   |
| (cuối lưu vực VĐ4)  |             |             |             |             | mới       |
+---------------------+-------------+-------------+-------------+-------------+-----------+

Chương 2: Xây dựng cơ sở khoa học xác định giải pháp tiêu thoát nước và quy mô công trình đầu mối

Chương 2 tập trung vào việc thiết lập mô hình toán học và xây dựng mô hình thủy lực trên phần mềm SWMM:

  1. Thiết lập thuật toán tối ưu hóa: Lập quy trình quét lưới tự động với hai thông số $Q$ và $F$. Khi cố định một giá trị diện tích hồ $F$, mô hình SWMM sẽ chạy mô phỏng thủy lực để tìm giá trị lưu lượng trạm bơm $Q$ nhỏ nhất thỏa mãn mực nước khống chế $Z_{max} \le Z_{cp}$. Sau đó, tổng chi phí $C_T$ được tính toán để xác định điểm cực tiểu.
  2. Cấu trúc hóa mô hình SWMM:
    • Phân chia toàn bộ vùng nghiên cứu thành các tiểu lưu vực (Subcatchments) tương ứng với các phân khu đô thị S1, S2, S3, S4, S5, GS và các khu vực nội đô lịch sử.
    • Thiết lập mạng lưới dẫn nước gồm các tuyến cống ngầm chính, kênh dẫn hở, các nút giao (Junctions), công trình điều tiết (Orifices, Weirs) và các trạm bơm (Pumps).
    • Thiết lập thông số mặt đệm: độ dốc bề mặt, tỷ lệ diện tích không thấm nước ($%Imperv$), hệ số nhám Manning cho dòng chảy tràn và cống rãnh, các chỉ tiêu thấm Horton.
  3. Mô phỏng mưa và kiểm định:
    • Đưa vào mô hình chuỗi mưa giờ thiết kế 72 giờ ứng với tần suất $P = 10%$.
    • Thực hiện hiệu chỉnh các thông số nhám lòng dẫn, hệ số thấm dựa trên 3 trận mưa thực tế. Kết quả kiểm định tại vị trí đập tràn C trên kênh Yên Sở cho thấy sai số mực nước đỉnh lũ và thời gian xuất hiện đỉnh lũ nằm trong giới hạn cho phép, chỉ số Nash-Sutcliffe đạt yêu cầu đánh giá tin cậy.

Chương 3: Đề xuất giải pháp tiêu nước và quy mô công trình tiêu trên địa bàn thành phố Hà Nội

Chương 3 trình bày các kết quả tính toán phân tích thủy lực, tối ưu hóa quy mô và đề xuất giải pháp bố trí công trình:

  1. Quét thủy lực theo các cấp lưu lượng: Mô hình tiến hành kiểm tra các ràng buộc mực nước tại 7 cấp lưu lượng trạm bơm đầu mối tổng thể:

    • Mức $Q(+1) = Q_{max} = 637,8\text{ m}^3/\text{s}$
    • Mức $Q(0) = 611,0\text{ m}^3/\text{s}$
    • Mức $Q(-1) = 558,0\text{ m}^3/\text{s}$
    • Mức $Q(-2) = 503,0\text{ m}^3/\text{s}$
    • Mức $Q(-3) = 448,1\text{ m}^3/\text{s}$
    • Mức $Q(-4) = 393,1\text{ m}^3/\text{s}$
    • Mức $Q(-5) = Q_{min} = 338,1\text{ m}^3/\text{s}$

  2. Xác định thông số kỹ thuật tối ưu: Thông qua hàm chi phí xây dựng trạm bơm $C_{TB}$ và hồ điều hòa $C_{HĐ}$, luận án đã xác định quy mô tối ưu cho từng vùng tiêu thành phần:

+-----------------------------------------------------------------------------------------+
| CÁC THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA TRẠM BƠM ĐẦU MỐI VÀ HỒ ĐIỀU HÒA CHO TỪNG LƯU VỰC                |
+-------------------+---------------+------------------+-----------------+----------------+
| Lưu vực tiêu      | Tổng lưu lượng| Hệ số tiêu thiết | Diện tích hồ    | Tỷ lệ diện tích|
|                   | thiết kế Q    | kế q (l/s/ha)    | điều hòa F (ha) | hồ f (%)       |
|                   | (m³/s)        |                  |                 |                |
+-------------------+---------------+------------------+-----------------+----------------+
| Tây Hà Nội        | 380,0         | 19,71            | 192,76          | 1,00           |
| Yên Sở            | 90,0          | 11,93            | 299,75          | 3,97           |
| Đông Mỹ           | 35,0          | 15,70            | 14,00           | 0,62           |
| Hiền Giang        | 108,0         | 15,14            | 71,26           | 1,00           |
+-------------------+---------------+------------------+-----------------+----------------+
  1. Đề xuất giải pháp công trình và quy trình vận hành:
    • Bổ sung Trạm bơm đầu mối Hiền Giang: Bố trí tại vị trí sông Nhuệ giao với đường Vành đai 4, công suất thiết kế $Q = 108\text{ m}^3/\text{s}$. Công trình này giúp khép kín vùng tiêu nội đô trong đường Vành đai 4 thành một vùng tiêu độc lập, ngăn chặn hoàn toàn nước lũ từ hạ lưu sông Nhuệ chảy ngược vào nội thành khi mực nước sông dâng cao.
    • Bố trí và điều chỉnh hồ điều hòa: Không áp dụng cứng nhắc tỷ lệ hồ $5% \div 7%$ cho tất cả các lưu vực như các quy hoạch cũ mà điều chỉnh linh hoạt theo đặc điểm sử dụng đất và khả năng thoát nước của trạm bơm (vùng Tây Hà Nội tỷ lệ tối ưu là 1,00%; Yên Sở là 3,97%; Đông Mỹ là 0,62%; Hiền Giang là 1,00%).
    • Quy trình vận hành phối hợp liên hoàn: Thiết lập quy trình vận hành điều tiết giữa 8 cụm công trình đầu mối (Yên Sở, Yên Nghĩa, Liên Mạc, Yên Thái, Đào Nguyên, Nam Thăng Long, Đông Mỹ, Hiền Giang). Khai thác hiệu quả cống Thanh Liệt và cống Hà Đông để chuyển nước linh hoạt giữa lưu vực sông Nhuệ và lưu vực sông Tô Lịch - trạm bơm Yên Sở khi có mưa phân bố không đều.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Xây dựng hoàn chỉnh phương pháp luận và giải thuật toán tối ưu hóa thông số quy mô công trình đầu mối tiêu thoát nước (trạm bơm và hồ điều hòa) dựa trên việc tích hợp mô hình mô phỏng thủy văn - thủy lực SWMM với thuật toán quét tối ưu trong không gian hai chiều $(f, Q)$.
  2. Mô hình hóa đồng bộ và chi tiết toàn bộ hệ thống tiêu thoát nước đô thị trung tâm thành phố Hà Nội trên diện tích 37.050 ha, phản ánh đầy đủ bản chất vật lý từ quá trình sinh dòng chảy trên các tiểu lưu vực, mạng lưới cống ngầm đường phố, mạng kênh trục chính, các công trình điều tiết đến các trạm bơm đầu mối xả ra sông Hồng và sông Đáy.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Xác định chính xác bộ thông số kỹ thuật tối ưu về công suất trạm bơm và diện tích hồ điều hòa cho từng lưu vực tiêu cụ thể, làm cơ sở khoa học để điều chỉnh, bổ sung các đồ án quy hoạch thoát nước đô thị Hà Nội.
  2. Đề xuất bổ sung công trình Trạm bơm đầu mối Hiền Giang ($Q = 108\text{ m}^3/\text{s}$) kết hợp cống điều tiết tại vị trí đường Vành đai 4 cắt sông Nhuệ, hoàn thiện giải pháp khép kín vùng tiêu đô thị trung tâm, nâng cao mức độ an toàn chống ngập cho Thủ đô.
  3. Đề xuất giải pháp vận hành liên hoàn giữa các trạm bơm đầu mối và hệ thống cống điều tiết (đặc biệt là cống Thanh Liệt và cống Hà Đông), giúp phân phối lại lưu lượng tiêu trong các tình huống mưa bất lợi, giảm áp lực ngập úng cục bộ và tiết kiệm chi phí đầu tư công trình.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các nghiên cứu của luận án được giới hạn trong phạm vi ranh giới đô thị trung tâm từ đường Vành đai 4 trở vào thuộc phần hữu ngạn sông Hồng (37.050 ha); các thông số kỹ thuật của mạng lưới thoát nước tiểu khu và các công trình phân tán quy mô nhỏ được giả định là các thông số đầu vào đã biết.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu bài toán tối ưu hóa liên vùng cho các chuỗi đô thị vệ tinh nằm ngoài đường Vành đai 4 (như Hòa Lạc, Xuân Mai, Sơn Tây, Phú Xuyên, Sóc Sơn); nghiên cứu chi tiết hơn các giải pháp tiêu thoát nước bền vững tại chỗ (LID/SUDS) và cập nhật các kịch bản biến đổi khí hậu cực đoan trong tính toán thủy văn đô thị.

Giá trị tham khảo

  • Đối với cơ quan quản lý nhà nước (Sở Xây dựng, Sở Nông nghiệp và PTNT Hà Nội, Bộ Nông nghiệp và PTNT): Cung cấp căn cứ khoa học trực tiếp để rà soát, điều chỉnh các đồ án quy hoạch thoát nước chuyên ngành (QH725, QH4673, QH1259) và lập kế hoạch phân kỳ đầu tư xây dựng các công trình tiêu trọng điểm.
  • Đối với các đơn vị tư vấn thiết kế: Tham khảo phương pháp thiết lập mô hình SWMM chi tiết cho đô thị lớn và phương pháp xác định khẩu độ kênh trục, thông số trạm bơm và dung tích hồ điều hòa.
  • Đối với công tác đào tạo và nghiên cứu: Làm tài liệu tham khảo chuyên sâu cho giảng viên, nghiên cứu sinh, học viên cao học ngành Quy hoạch quản lý tài nguyên nước, Kỹ thuật tài nguyên nước, Cấp thoát nước và Thủy văn công trình.

Câu hỏi thường gặp

1. Phạm vi không gian và quy mô diện tích của vùng nghiên cứu trong luận án được xác định như thế nào?

Vùng nghiên cứu của luận án được giới hạn trong phạm vi đô thị trung tâm thành phố Hà Nội ở hữu ngạn sông Hồng từ đường Vành đai 4 trở vào. Ranh giới cụ thể gồm: phía bắc, đông bắc và đông giáp đê hữu sông Hồng; phía tây giáp đê tả sông Đáy; phía nam và tây nam giáp đường Vành đai 4. Tổng diện tích tự nhiên của lưu vực nghiên cứu là 37.050 ha.

2. Tại sao tác giả đề xuất xây dựng thêm Trạm bơm tiêu đầu mối Hiền Giang tại điểm giao giữa sông Nhuệ và đường Vành đai 4?

Đề xuất bố trí trạm bơm Hiền Giang ($Q = 108\text{ m}^3/\text{s}$) tại vị trí sông Nhuệ cắt đường Vành đai 4 nhằm mục đích: (1) Kết hợp với đê bao đường Vành đai 4 tạo thành một vùng tiêu hoàn toàn độc lập, chủ động tiêu nước cho vùng đô thị trung tâm có mức ưu tiên chống ngập cao nhất; (2) Ngăn chặn triệt để tình trạng nước lũ từ hạ lưu sông Nhuệ chảy ngược vào nội đô khi mực nước ngoài sông lên cao; (3) Thay thế việc phải nâng cấp hàng loạt trạm bơm nội đồng nhỏ lẻ ở đoạn hạ lưu sông Nhuệ, từ đó nâng cao hiệu quả vận hành và tiết kiệm chi phí đầu tư.

3. Kết quả tối ưu hóa đã xác định quy mô lưu lượng trạm bơm và diện tích hồ điều hòa cho lưu vực Tây Hà Nội là bao nhiêu?

Qua phân tích tối ưu hóa kinh tế - kỹ thuật thỏa mãn ràng buộc mực nước khống chế $Z_{maxHĐ} \le 4,50\text{ m}$, luận án xác định các thông số tối ưu cho lưu vực Tây Hà Nội gồm: tổng lưu lượng thiết kế của các trạm bơm đầu mối là $Q_{THN} = 380,0\text{ m}^3/\text{s}$ (tương ứng hệ số tiêu thiết kế $q = 19,71\text{ l/s/ha}$) và tổng diện tích hệ thống hồ điều hòa là $F_{THN} = 192,76\text{ ha}$ (tương ứng tỷ lệ diện tích hồ $f = 1,00%$).

4. Mô hình SWMM trong luận án được hiệu chỉnh và kiểm định dựa trên những trận mưa thực tế nào?

Mô hình SWMM được hiệu chỉnh và kiểm định tại vị trí đập tràn C trên kênh chính Yên Sở dựa trên số liệu quan trắc mực nước và lượng mưa thực tế của 3 trận mưa lớn:

  • Trận mưa từ ngày 22 đến ngày 26/5/2012;
  • Trận mưa từ ngày 17 đến ngày 21/8/2012;
  • Trận mưa từ ngày 24 đến ngày 28/5/2016.

5. Tỷ lệ diện tích hồ điều hòa tối ưu được luận án đề xuất có điểm gì khác biệt so với các quy hoạch trước đó?

Các quy hoạch trước đây (như QH108, QH1259, QH725) đưa ra định hướng tỷ lệ diện tích hồ điều hòa chung cho toàn bộ đô thị là từ $5% \div 7%$ diện tích lưu vực. Luận án chỉ ra rằng chỉ tiêu này quá cao và thiếu tính khả thi trong điều kiện quỹ đất đô thị hạn chế. Dựa trên tính toán tối ưu hóa phối hợp với công suất bơm, luận án đề xuất tỷ lệ diện tích hồ điều hòa phù hợp và khả thi hơn: lưu vực Tây Hà Nội là 1,00%, lưu vực Hiền Giang là 1,00%, lưu vực Đông Mỹ là 0,62%, riêng lưu vực Yên Sở (khu vực nội đô cũ đã có hệ thống hồ ổn định) là 3,97%.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Lê Văn Trường đã giải quyết bài toán tiêu thoát nước cho vùng đô thị trung tâm thành phố Hà Nội (37.050 ha) trên cơ sở kết hợp mô hình thủy lực SWMM với thuật toán tối ưu hóa hai thông số điều khiển. Công trình đã đưa ra các thông số thiết kế tối ưu về công suất trạm bơm và diện tích hồ điều hòa cho từng lưu vực thành phần, khắc phục những mâu thuẫn tồn tại trong các đồ án quy hoạch tiền nhiệm. Đề xuất bổ sung trạm bơm đầu mối Hiền Giang ($108\text{ m}^3/\text{s}$) và giải pháp điều hành liên hoàn toàn hệ thống mang lại giá trị thực tiễn cao, đóng góp cơ sở khoa học cho công tác quy hoạch, thiết kế và quản lý vận hành công trình tiêu thoát nước đô thị.