Tổng quan nghiên cứu

Ngập úng đô thị là một trong những thách thức lớn đối với sự phát triển bền vững của các thành phố lớn, đặc biệt là các đô thị ven sông như Thành phố Hồ Chí Minh (TPHCM). Lưu vực Nhiêu Lộc - Thị Nghè (NLTN) với diện tích khoảng 3.324 ha, bao phủ trung tâm TPHCM, là nơi tập trung khoảng 1,2 triệu dân, chiếm 20% dân số thành phố, cùng mật độ dân cư cao lên đến 361 người/ha. Trong những năm gần đây, biến đổi khí hậu đã làm gia tăng tần suất và cường độ các hiện tượng thời tiết cực đoan như mưa lớn, bão và triều cường, khiến tình trạng ngập lụt tại lưu vực này ngày càng nghiêm trọng. Hệ thống hạ tầng thoát nước hiện hữu đã xuống cấp, không đáp ứng được nhu cầu tiêu thoát nước, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động kinh tế - xã hội và môi trường sống của cộng đồng dân cư.

Luận văn thạc sĩ này nhằm mục tiêu xây dựng cơ sở khoa học cho việc ứng dụng mô hình toán số TELEMAC-2D trong mô phỏng dòng chảy thoát nước mưa tại lưu vực NLTN. Qua đó, nghiên cứu đánh giá được mức độ ngập, chiều sâu nước lớn nhất, thời gian thoát nước và sự chênh lệch chiều sâu nước tại các vị trí trọng yếu trong lưu vực dưới các kịch bản mưa giả định khác nhau. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào lưu vực NLTN, bao gồm các quận trung tâm như Quận 1, 3, 10, Bình Thạnh, Gò Vấp, Phú Nhuận và Tân Bình, trong khoảng thời gian từ năm 2018 đến 2019. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ hoạch định chính sách, quy hoạch và nâng cấp hệ thống thoát nước nhằm giảm thiểu thiệt hại do ngập úng gây ra.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình chính:

  1. Phương trình Saint-Venant: Đây là hệ phương trình thủy lực mặt nước tự do hai chiều, được sử dụng để mô phỏng dòng chảy nước nông trong kênh hở và trên bề mặt đất. Phương trình này bao gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng, cho phép mô hình hóa sự biến đổi chiều sâu nước và vận tốc dòng chảy theo thời gian và không gian.

  2. Mô hình toán số TELEMAC-2D: Là phần mềm mã nguồn mở, giải hệ phương trình Saint-Venant bằng phương pháp phần tử hữu hạn hoặc tích khối hữu hạn không cấu trúc. Mô hình này có khả năng mô phỏng dòng chảy 1D trong cống và dòng chảy 2D trên mặt đất, phù hợp với quy mô lưu vực lớn và phức tạp như NLTN. TELEMAC-2D còn tích hợp các yếu tố như ma sát đáy, ảnh hưởng của gió, áp suất khí quyển và các điều kiện biên phức tạp.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng bao gồm: siphon ngược (inverted siphon) trong hệ thống cống thoát nước, phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp sai phân thời gian và không gian, cùng các thuật toán xử lý điều kiện biên kín và hở.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khí tượng thủy văn (lượng mưa, mực nước triều, lưu lượng dòng chảy), dữ liệu địa hình, mạng lưới sông kênh, hệ thống thoát nước hiện hữu và các tài liệu quy hoạch liên quan. Số liệu mưa được thu thập từ các trạm như Tân Sơn Hòa, Phan Văn Khỏe, Lý Thường Kiệt với lượng mưa kỷ lục lên đến 401 mm trong một trận mưa kéo dài 8 giờ.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình toán số TELEMAC-2D kết hợp mô hình dòng chảy 1D trong cống và 2D trên mặt đất để mô phỏng diễn biến thoát nước mưa. Mô hình được xây dựng trên lưới tam giác phi cấu trúc với hơn 300.000 nút và gần 600.000 phần tử, đảm bảo độ chi tiết cao. Các kịch bản mưa giả định được thiết lập dựa trên số liệu thực tế và dự báo, với tổng cộng 15 kịch bản khác nhau về lượng mưa và thời gian kéo dài.

Quá trình nghiên cứu diễn ra từ tháng 8/2018 đến tháng 6/2019, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng và phân tích kết quả. Phương pháp chọn mẫu là toàn bộ lưu vực NLTN với các điểm quan trắc trọng yếu được xác định để đánh giá chiều sâu nước và thời gian thoát nước.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chiều sâu nước ngập lớn nhất: Kết quả mô phỏng cho thấy chiều sâu nước ngập tại các tuyến đường chính như Phan Xích Long, Bùi Đình Túy và Bắc Hải dao động từ khoảng 1,76 m đến 3,37 m tùy theo kịch bản mưa. Kịch bản mưa có lượng mưa cao nhất (khoảng 401 mm trong 8 giờ) dẫn đến chiều sâu nước ngập lớn nhất lên đến 3,34 m tại đường Phan Xích Long.

  2. Thời gian thoát nước: Thời gian tăng và giảm chiều sâu nước tại các điểm quan trắc dao động từ 6 đến 8 giờ, phản ánh khả năng tiêu thoát nước chậm của hệ thống hiện tại. Thời gian thoát nước kéo dài làm tăng nguy cơ ngập úng kéo dài, ảnh hưởng đến sinh hoạt và giao thông.

  3. Sự chênh lệch chiều sâu nước giữa các kịch bản: So sánh giữa các kịch bản mưa cho thấy sự khác biệt chiều sâu nước trung bình tại các điểm có thể lên đến 1,5 m, cho thấy mức độ nhạy cảm của lưu vực với các biến đổi về lượng mưa. Độ chênh lệch này cũng thể hiện sự cần thiết trong việc xây dựng các kịch bản dự báo và ứng phó phù hợp.

  4. Ảnh hưởng của triều cường: Mưa lớn kết hợp với triều cường làm gia tăng mức độ ngập lụt, đặc biệt tại các khu vực thấp hơn mực nước triều như phía nam lưu vực. Mực nước triều cao nhất đo được tại trạm Phú An là +1,29 m, góp phần làm giảm khả năng thoát nước tự nhiên.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng ngập úng nghiêm trọng là do hệ thống hạ tầng thoát nước nội thị đã xuống cấp, không đủ khả năng tiêu thoát lượng nước mưa lớn trong thời gian ngắn. Kết quả mô phỏng bằng mô hình TELEMAC-2D cho thấy mô hình có khả năng phản ánh chính xác diễn biến dòng chảy và ngập lụt trong lưu vực, phù hợp với các số liệu thực tế và các nghiên cứu trước đây.

So sánh với các nghiên cứu trước, mô hình tích hợp dòng chảy 1D trong cống và 2D trên mặt đất cho phép đánh giá chi tiết hơn về phân bố ngập lụt, đặc biệt là tại các khu vực trũng thấp và các tuyến đường chính. Việc mô phỏng chi tiết này giúp xác định các điểm ngập trọng yếu và thời gian thoát nước, từ đó hỗ trợ việc lập kế hoạch cải tạo hệ thống thoát nước.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ chiều sâu nước theo thời gian tại các điểm quan trắc, bảng so sánh chiều sâu nước giữa các kịch bản mưa, và bản đồ phân bố ngập lụt trên lưu vực. Những biểu đồ này minh họa rõ ràng sự biến động của mực nước và mức độ ảnh hưởng của từng kịch bản mưa.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cấp hệ thống thoát nước: Tăng cường cải tạo, mở rộng đường kính cống và xây dựng thêm các tuyến cống bao để nâng cao khả năng tiêu thoát nước, giảm thiểu ngập úng. Chủ thể thực hiện là Sở Xây dựng và Ban Quản lý dự án hạ tầng đô thị, với kế hoạch hoàn thành trong vòng 3-5 năm.

  2. Ứng dụng mô hình toán số trong quy hoạch: Sử dụng mô hình TELEMAC-2D để đánh giá các phương án quy hoạch hạ tầng thoát nước mới, đảm bảo tính khả thi và hiệu quả trong điều kiện biến đổi khí hậu. Các cơ quan nghiên cứu và quy hoạch đô thị nên áp dụng thường xuyên trong vòng 1-2 năm tới.

  3. Xây dựng hệ thống cảnh báo ngập lụt: Phát triển hệ thống cảnh báo dựa trên mô hình mô phỏng và dữ liệu thời gian thực để cảnh báo sớm cho người dân và chính quyền địa phương. Chủ thể là Trung tâm chống ngập và Sở Thông tin và Truyền thông, triển khai trong 1-2 năm.

  4. Quản lý sử dụng đất hợp lý: Kiểm soát chặt chẽ việc sử dụng đất, hạn chế xây dựng tại các khu vực trũng thấp, đồng thời phát triển các giải pháp xanh như mái nhà xanh, không gian xanh để giảm dòng chảy bề mặt. Các cơ quan quản lý đô thị và địa phương cần phối hợp thực hiện liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quy hoạch đô thị và quản lý hạ tầng: Để áp dụng mô hình toán số trong thiết kế và nâng cấp hệ thống thoát nước, từ đó giảm thiểu ngập úng và nâng cao chất lượng sống đô thị.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình thủy: Nghiên cứu phương pháp mô phỏng dòng chảy 1D+2D, ứng dụng phần mềm TELEMAC-2D và các thuật toán liên quan trong lĩnh vực thủy lực đô thị.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và phòng chống thiên tai: Sử dụng kết quả mô phỏng để đánh giá rủi ro ngập lụt, xây dựng các kịch bản ứng phó và cảnh báo thiên tai hiệu quả.

  4. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp xây dựng: Tham khảo để hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và các giải pháp công trình phù hợp với điều kiện thực tế của lưu vực NLTN, đảm bảo tính bền vững và hiệu quả đầu tư.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình TELEMAC-2D có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
    TELEMAC-2D là phần mềm mã nguồn mở, có khả năng mô phỏng dòng chảy 2 chiều trên mặt đất kết hợp với dòng chảy 1 chiều trong cống, giải hệ phương trình Saint-Venant với độ chính xác cao và khả năng xử lý các điều kiện biên phức tạp. Ví dụ, mô hình này cho phép mô phỏng chi tiết ngập lụt tại các khu vực trũng thấp mà các mô hình 1D đơn thuần không thể làm được.

  2. Tại sao cần kết hợp mô hình dòng chảy 1D và 2D trong nghiên cứu thoát nước mưa?
    Dòng chảy trong cống thường được mô phỏng bằng mô hình 1D do tính chất dòng chảy có hướng, trong khi dòng chảy trên mặt đất có tính phân tán và đa chiều nên cần mô hình 2D. Kết hợp hai mô hình giúp mô phỏng toàn diện hơn, phản ánh chính xác diễn biến ngập lụt trong đô thị.

  3. Các kịch bản mưa giả định được xây dựng dựa trên cơ sở nào?
    Các kịch bản mưa được xây dựng dựa trên số liệu thực tế từ các trạm đo mưa trong lưu vực, kết hợp với dự báo biến đổi khí hậu và các tình huống mưa cực đoan có thể xảy ra trong tương lai. Ví dụ, trận mưa kỷ lục 401 mm trong 8 giờ tại trạm Tân Sơn Hòa được sử dụng làm kịch bản mưa lớn nhất.

  4. Làm thế nào để mô hình giúp cải thiện hệ thống thoát nước hiện tại?
    Mô hình cung cấp thông tin chi tiết về mức độ ngập, thời gian thoát nước và các điểm ngập trọng yếu, từ đó giúp các nhà quản lý và kỹ sư xác định các vị trí cần nâng cấp hoặc xây dựng mới, tối ưu hóa thiết kế hệ thống thoát nước nhằm giảm thiểu ngập úng.

  5. Mô hình có thể áp dụng cho các lưu vực khác không?
    Có, mô hình TELEMAC-2D có tính linh hoạt cao và có thể được điều chỉnh để áp dụng cho các lưu vực khác với điều kiện địa hình, khí hậu và hệ thống thoát nước khác nhau, miễn là có đủ dữ liệu đầu vào phù hợp.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán số TELEMAC-2D kết hợp dòng chảy 1D và 2D để mô phỏng thoát nước mưa tại lưu vực Nhiêu Lộc - Thị Nghè với 15 kịch bản mưa giả định.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy chiều sâu nước ngập lớn nhất có thể lên đến 3,37 m, thời gian thoát nước kéo dài từ 6 đến 8 giờ, phản ánh thực trạng hệ thống thoát nước hiện tại còn nhiều hạn chế.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá mức độ ngập lụt, hỗ trợ quy hoạch và nâng cấp hệ thống thoát nước nhằm giảm thiểu thiệt hại do ngập úng gây ra.
  • Đề xuất các giải pháp nâng cấp hạ tầng, ứng dụng mô hình toán số trong quy hoạch, xây dựng hệ thống cảnh báo và quản lý sử dụng đất hợp lý.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai các giải pháp đề xuất, cập nhật mô hình với dữ liệu mới và mở rộng nghiên cứu sang các lưu vực khác trong thành phố.

Hành động ngay: Các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu nên phối hợp ứng dụng mô hình TELEMAC-2D để nâng cao hiệu quả quản lý thoát nước đô thị, góp phần xây dựng TPHCM phát triển bền vững, thích ứng với biến đổi khí hậu.