Nghiên cứu mô phỏng thủy lực hệ thống kênh rạch tại Quận 6, 8 và huyện Bình Chánh, TP.HCM

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Thịnh
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Đình Nghiên
• Trường học: Đại học Giao thông Vận tải
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hạ tầng Đô thị
• Đề tài: Nghiên cứu mô phỏng thủy lực hệ thống kênh rạch Quận 6, 8 và Bình Chánh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM THỦY LỰC – THỦY VĂN KHU VỰC NGHIÊN CỨU
• 1.1. Đặc điểm tự nhiên, địa hình
• 1.2. Về địa chất
• 1.3. Hiện trạng sông rạch
• 1.3.1. Hiện trạng sông rạch khu vực nghiên cứu
• 1.3.2. Ảnh hưởng của mưa, triều
• 1.3.3. Hiện trạng ngập lụt
• 1.3.4. Hiện trạng lưu vực
• 1.3.5. Hiện trạng mặt cắt kênh rạch khu vực nghiên cứu
• 1.3.6. Quan trắc dòng chảy trên kênh rạch chính
• 2. CHƯƠNG 2: THÔNG SỐ ĐẦU VÀO VÀ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN
• 2.1. Cơ sở kỹ thuật
• 2.2. Thu thập số liệu
• 2.3. Điều kiện biên
• 2.4. Mực nước thiết kế. Phần mềm mô phỏng – StormNet
• 3. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 3.1. Kết quả hiệu chỉnh mực nước
• 3.2. Ứng dụng mô hình nghiên cứu vào chống ngập khu vực đường Văn Thân, Phạm Văn Chí quận 6, TPHCM
• 3.3. Hiện trạng thoát nước
• 3.4. Sơ đồ tuyến cống thiết kế và Mô hình thủy lực
• 3.5. Thông số đầu vào tính toán thủy lực
• 3.6. Kết qủa tính toán
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• Phụ lục 1. Mực nước 09 trạm thực đo
• Phụ lục 2. Mực nước 08 trạm thủy văn
• Phụ lục 3. Kết quả so sánh
• Phụ lục 4. Kết quả thủy lực khu vực ứng dụng kết qủa nghiên cứu

Tóm tắt

I. Đặc điểm thủy lực thủy văn khu vực nghiên cứu

Khu vực nghiên cứu bao gồm Quận 6, Quận 8 và huyện Bình Chánh, với diện tích khoảng 276 km2. Địa hình khu vực này thấp dần từ Bắc xuống Nam, chịu ảnh hưởng lớn từ chế độ thủy triều và lượng mưa cao. Đặc điểm tự nhiên và địa hình của khu vực đã tạo ra những thách thức trong việc quản lý nước và thoát nước. Hệ thống sông rạch dày đặc, như sông Cần Giuộc, sông Chợ Đệm, và kênh Đôi, đóng vai trò quan trọng trong việc tiêu thoát nước. Tuy nhiên, tình trạng ô nhiễm và ngập lụt thường xuyên xảy ra do sự phát triển đô thị hóa nhanh chóng và việc lấn chiếm lòng kênh. Việc nghiên cứu mô phỏng thủy lực là cần thiết để xác định mực nước trong các kênh rạch, từ đó đưa ra giải pháp thiết kế công trình thoát nước hiệu quả.

1.1. Đặc điểm tự nhiên và địa hình

Khu vực nghiên cứu có địa hình thấp, với cao độ giảm dần từ Bắc xuống Nam. Quận 6 nằm ở phía Tây Nam, giáp ranh với các quận khác qua các rạch và đường lớn. Quận 8 có địa hình bị chia cắt bởi nhiều sông rạch, tạo thành những mảnh đất nhỏ. Huyện Bình Chánh nằm ở cửa ngõ phía Tây, có nhiều trục đường giao thông quan trọng. Địa hình thấp và sự phát triển đô thị hóa nhanh chóng đã làm gia tăng tình trạng ngập lụt, đặc biệt trong mùa mưa. Các yếu tố như lượng mưa lớn và triều cường cũng góp phần làm trầm trọng thêm tình hình này.

1.2. Hiện trạng sông rạch

Hệ thống sông rạch trong khu vực nghiên cứu rất phong phú, với nhiều kênh rạch lớn như kênh Đôi, kênh Tàu Hũ. Tuy nhiên, tình trạng ô nhiễm nguồn nước ngày càng gia tăng do nước thải sinh hoạt và công nghiệp xả thải trực tiếp vào các nguồn nước. Việc lấn chiếm lòng kênh cũng gây khó khăn trong việc nạo vét và duy trì dòng chảy. Các sông rạch không chỉ là nguồn nước mà còn là tuyến giao thông thủy quan trọng, ảnh hưởng đến đời sống và sinh hoạt của người dân. Do đó, việc nghiên cứu và mô phỏng thủy lực là rất cần thiết để cải thiện tình trạng này.

II. Thông số đầu vào và mô hình tính toán

Để thực hiện mô phỏng thủy lực, các thông số đầu vào như mực nước thiết kế, điều kiện biên và số liệu thu thập từ các trạm đo là rất quan trọng. Phần mềm StormNet được sử dụng để mô phỏng và hiệu chỉnh mực nước trong hệ thống kênh rạch. Việc thu thập số liệu từ các trạm đo thực tế giúp đảm bảo tính chính xác của mô hình. Các thông số này sẽ được sử dụng để tính toán và dự đoán mực nước trong các kênh rạch, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế công trình thoát nước hiệu quả.

2.1. Cơ sở kỹ thuật

Cơ sở kỹ thuật cho mô hình tính toán bao gồm các thông số thủy lực như lưu lượng, mực nước và tốc độ dòng chảy. Việc xác định các thông số này dựa trên các nghiên cứu trước đây và số liệu thực tế thu thập được từ khu vực nghiên cứu. Các thông số này sẽ được nhập vào phần mềm StormNet để thực hiện mô phỏng. Mô hình này cho phép phân tích và dự đoán tình hình ngập lụt trong khu vực, từ đó đưa ra các giải pháp cải thiện hệ thống thoát nước.

2.2. Phần mềm mô phỏng StormNet

StormNet là phần mềm chuyên dụng cho mô phỏng thủy lực, cho phép người dùng nhập các thông số đầu vào và thực hiện các tính toán phức tạp. Phần mềm này hỗ trợ việc mô phỏng các tình huống khác nhau, từ đó giúp đánh giá hiệu quả của các giải pháp thoát nước. Việc sử dụng StormNet giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình nghiên cứu, đồng thời nâng cao độ chính xác của các kết quả thu được. Các kết quả từ mô phỏng sẽ được so sánh với số liệu thực tế để hiệu chỉnh và cải thiện mô hình.

III. Ứng dụng kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu từ mô phỏng thủy lực có thể được ứng dụng vào việc thiết kế các công trình thoát nước trong khu vực. Việc hiệu chỉnh mực nước giúp xác định các điểm ngập lụt và đưa ra các giải pháp khắc phục. Các mô hình thủy lực cũng có thể được sử dụng để dự đoán tình hình ngập lụt trong tương lai, từ đó giúp các cơ quan chức năng có kế hoạch ứng phó kịp thời. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu còn có thể được áp dụng trong việc quy hoạch đô thị, nhằm giảm thiểu tình trạng ngập lụt và ô nhiễm môi trường.

3.1. Kết quả hiệu chỉnh mực nước

Kết quả hiệu chỉnh mực nước từ mô phỏng cho thấy sự phù hợp với số liệu thực tế từ các trạm đo. Việc này giúp xác định chính xác mực nước trong các kênh rạch, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế công trình thoát nước hiệu quả. Kết quả này cũng cho thấy sự cần thiết phải cải thiện hệ thống thoát nước hiện tại để giảm thiểu tình trạng ngập lụt trong khu vực. Các số liệu này sẽ là cơ sở để các cơ quan chức năng có thể đưa ra các quyết định đúng đắn trong việc quản lý nước.

3.2. Ứng dụng mô hình nghiên cứu vào chống ngập

Mô hình nghiên cứu có thể được ứng dụng vào việc chống ngập tại các khu vực trọng điểm như đường Văn Thân và Phạm Văn Chí. Việc áp dụng các kết quả từ mô phỏng giúp xác định các điểm ngập lụt và đưa ra các giải pháp khắc phục kịp thời. Các công trình thoát nước được thiết kế dựa trên các kết quả nghiên cứu sẽ giúp cải thiện tình hình ngập lụt, bảo vệ đời sống và sinh hoạt của người dân trong khu vực. Điều này không chỉ giúp nâng cao chất lượng cuộc sống mà còn góp phần phát triển bền vững cho thành phố.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM) là đô thị lớn nhất Việt Nam với dân số hơn 10 triệu người và diện tích tự nhiên khoảng 2.095 km². Khu vực nghiên cứu gồm Quận 6, Quận 8 và huyện Bình Chánh có tổng diện tích khoảng 276 km², nằm ở cửa ngõ phía Tây Nam TP.HCM, nơi có hệ thống sông rạch dày đặc và thường xuyên chịu ảnh hưởng ngập lụt do mưa lớn và thủy triều. Lượng mưa bình quân hàng năm tại TP.HCM dao động từ 1.800 đến 2.000 mm, thuộc vùng có lượng mưa cao trong cả nước. Ngoài ra, thủy triều từ Biển Đông tác động mạnh đến quá trình tiêu thoát nước, gây ngập úng kéo dài, đặc biệt tại các vùng thấp như Quận 6, Quận 8 và Bình Chánh.

Mục tiêu nghiên cứu là áp dụng phần mềm mô phỏng thủy lực StormNet để hiệu chỉnh mực nước hệ thống kênh rạch khu vực nghiên cứu, khớp với số liệu thực đo tại 9 trạm thủy văn, từ đó làm cơ sở thiết kế các công trình thoát nước, chống ngập hiệu quả. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống kênh rạch và thủy lực tại Quận 6, Quận 8 và huyện Bình Chánh, với dữ liệu thu thập từ năm 2004 đến 2010. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả quản lý thoát nước đô thị, giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt, đồng thời góp phần cải thiện môi trường sống và phát triển bền vững cho TP.HCM.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy lực hiện đại, trong đó nổi bật là:

• Phương trình Saint Venant: Mô hình sóng động học dùng để mô phỏng dòng chảy trong hệ thống kênh rạch và cống thoát nước, giúp phân tích biến đổi mực nước và lưu lượng theo thời gian.
• Lý thuyết thủy văn đô thị: Phân tích đặc điểm mưa đô thị, ảnh hưởng của thủy triều và tác động của quá trình đô thị hóa đến khả năng thoát nước.
• Mô hình thủy lực mạng lưới thoát nước StormNet: Phần mềm tích hợp thủy văn, thủy lực và chất lượng nước, cho phép mô phỏng dòng chảy, xác định vị trí ngập, thời gian ngập và đánh giá hiệu quả hệ thống thoát nước.

Các khái niệm chính bao gồm: mực nước thiết kế, lưu vực thoát nước, cường độ mưa thiết kế, chế độ thủy triều, và hiệu chỉnh mô hình thủy lực.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính gồm số liệu khảo sát địa hình, thủy văn, khí tượng và hiện trạng hệ thống thoát nước thu thập từ năm 2004 đến 2010. Cỡ mẫu gồm 9 trạm đo thủy văn phân bố trên các sông rạch chính trong khu vực nghiên cứu. Phương pháp chọn mẫu là khảo sát toàn diện các tuyến kênh rạch và cống thoát nước trọng yếu tại Quận 6, Quận 8 và Bình Chánh.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm StormNet để mô phỏng thủy lực, hiệu chỉnh mực nước dựa trên số liệu thực đo, đồng thời phân tích thống kê lượng mưa, thủy triều và dòng chảy. Timeline nghiên cứu kéo dài từ khảo sát số liệu (2004-2006), mô phỏng và hiệu chỉnh mô hình (2007-2010), đến ứng dụng kết quả vào thiết kế hệ thống thoát nước tại các tuyến đường trọng điểm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiện trạng thủy lực và mực nước: Mô hình thủy lực hiệu chỉnh khớp chặt với số liệu thực đo tại 9 trạm thủy văn, với sai số mực nước nhỏ, thể hiện qua biểu đồ so sánh mực nước thực đo và mô hình. Mực nước cao nhất tại trạm Phú An đạt 1,43 m vào tháng 10, phù hợp với chu kỳ triều cường.

2. Ảnh hưởng của mưa và thủy triều: Lượng mưa trung bình hàng năm tăng từ 1.482 mm (giai đoạn 1964-1973) lên khoảng 1.690 mm (1977-1998) tại khu vực Nhà Bè, đồng thời số trận mưa lớn (>50 mm) tăng 200-250% trong giai đoạn sau, làm gia tăng nguy cơ ngập lụt. Thủy triều bán nhật từ Biển Đông ảnh hưởng mạnh đến quá trình tiêu thoát, đặc biệt tại các vùng thấp như Quận 6 và Quận 8.

3. Hiện trạng thoát nước và ngập úng: Hệ thống cống hiện trạng tại Quận 8 có tổng chiều dài 41,912 km, tỷ lệ cống 0,092 km/ha, nhưng đã xuống cấp nghiêm trọng, gây tắc nghẽn và ngập úng kéo dài. Tại huyện Bình Chánh, hệ thống cống chỉ dài khoảng 922 m, chủ yếu thoát nước qua kênh rạch hai bên đường, chưa đáp ứng nhu cầu phát triển đô thị.

4. Ứng dụng mô hình vào thiết kế thoát nước: Mô hình thủy lực được áp dụng để thiết kế hệ thống thoát nước chống ngập tại đường Văn Thân và Phạm Văn Chí (Quận 6). Kết quả mô phỏng cho thấy tuyến cống D600 trên đường Phạm Văn Chí thường xuyên ngập khi mưa lớn kết hợp triều cao, thời gian ngập có thể lên đến 2 giờ. Tuyến đường Văn Thân hiện chưa có hệ thống thoát nước mưa, thường xuyên ngập khi mưa lớn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của ngập lụt là sự kết hợp giữa lượng mưa lớn, thủy triều cao và hệ thống thoát nước hiện trạng không đồng bộ, xuống cấp. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô hình thủy lực cho thấy sự phù hợp cao với số liệu thực tế, khẳng định tính khả thi của phần mềm StormNet trong mô phỏng hệ thống kênh rạch phức tạp tại TP.HCM.

Biểu đồ mực nước và lưu lượng dòng chảy tại các trạm đo thủy văn minh họa rõ sự biến động theo thời gian, đặc biệt tại các vị trí hợp lưu, nơi xuất hiện vùng giáp nước gây cản trở dòng chảy. Việc phân tích chi tiết này giúp xác định các điểm nghẽn cần cải tạo để nâng cao hiệu quả thoát nước.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế và cải tạo hệ thống thoát nước, góp phần giảm thiểu ngập lụt, bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng cuộc sống người dân trong khu vực đô thị đang phát triển nhanh chóng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Nâng cấp hệ thống cống thoát nước: Tăng cường cải tạo, mở rộng các tuyến cống hiện trạng tại Quận 6, Quận 8 và Bình Chánh, đặc biệt các tuyến cống D600 trên đường Phạm Văn Chí và xây dựng hệ thống thoát nước mưa cho đường Văn Thân. Thời gian thực hiện dự kiến trong 3-5 năm, do Sở Xây dựng và UBND các quận huyện chủ trì.

2. Xây dựng hồ điều tiết và hệ thống bơm tiêu: Thiết kế và xây dựng các hồ điều tiết nước mưa kết hợp hệ thống bơm tiêu để giảm áp lực thoát nước trong mùa mưa và triều cường. Mục tiêu giảm thời gian ngập úng xuống dưới 1 giờ tại các điểm ngập thường xuyên, thực hiện trong 5 năm tới.

3. Ứng dụng mô hình thủy lực trong quy hoạch đô thị: Áp dụng phần mềm StormNet để đánh giá tác động của các dự án phát triển đô thị mới đến hệ thống thoát nước, từ đó điều chỉnh quy hoạch phù hợp, đảm bảo khả năng tiêu thoát nước hiệu quả. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quy hoạch và quản lý đô thị.

4. Tăng cường quản lý và bảo vệ hệ thống kênh rạch: Kiểm soát việc lấn chiếm, xả thải và ô nhiễm vào kênh rạch, đồng thời tổ chức nạo vét định kỳ để duy trì lưu thông dòng chảy. Thời gian thực hiện liên tục, do các ban quản lý đô thị và chính quyền địa phương phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quy hoạch đô thị và kỹ sư hạ tầng: Sử dụng kết quả mô hình thủy lực để thiết kế hệ thống thoát nước, quy hoạch phát triển đô thị bền vững, giảm thiểu ngập lụt.

2. Cơ quan quản lý môi trường và thoát nước đô thị: Áp dụng các giải pháp đề xuất để nâng cao hiệu quả quản lý hệ thống thoát nước, cải thiện chất lượng môi trường nước mặt.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật hạ tầng đô thị, thủy lợi: Tham khảo phương pháp mô phỏng thủy lực, phân tích số liệu thủy văn và khí tượng trong môi trường đô thị phức tạp.

4. Chính quyền địa phương và các tổ chức phát triển đô thị: Dựa trên kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, kế hoạch đầu tư phát triển hạ tầng kỹ thuật, giảm thiểu rủi ro thiên tai do ngập lụt.

Câu hỏi thường gặp

1. Phần mềm StormNet có ưu điểm gì trong mô phỏng thủy lực?
   StormNet tích hợp thủy văn, thủy lực và chất lượng nước trong một giao diện đồ họa dễ sử dụng, hỗ trợ mô phỏng mạng lưới thoát nước mưa và nước thải, cho phép phân tích lưu lượng, vị trí và thời gian ngập chính xác. Ví dụ, mô hình đã hiệu chỉnh khớp với số liệu thực đo tại 9 trạm thủy văn trong nghiên cứu.

2. Nguyên nhân chính gây ngập lụt tại Quận 6, Quận 8 và Bình Chánh là gì?
   Ngập lụt chủ yếu do lượng mưa lớn, thủy triều cao và hệ thống thoát nước hiện trạng xuống cấp, không đáp ứng lưu lượng nước mưa và triều cường. Hệ thống cống nhỏ, tắc nghẽn và kênh rạch bị bồi lắng làm giảm khả năng tiêu thoát.

3. Lượng mưa có thay đổi như thế nào trong những năm gần đây?
   Số liệu cho thấy lượng mưa trung bình và số trận mưa lớn (>50 mm) tăng khoảng 200-250% trong giai đoạn 1973-2003 so với trước đó, làm gia tăng nguy cơ ngập lụt và áp lực lên hệ thống thoát nước đô thị.

4. Làm thế nào để giảm thiểu ngập úng tại các tuyến đường như Phạm Văn Chí và Văn Thân?
   Cần nâng cấp hệ thống cống thoát nước hiện hữu, xây dựng mới hệ thống thoát nước mưa, kết hợp hồ điều tiết và bơm tiêu để kiểm soát mực nước, giảm thời gian ngập. Đồng thời, quản lý chặt chẽ việc xả thải và bảo vệ kênh rạch.

5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các khu vực đô thị khác không?
   Phương pháp mô phỏng thủy lực và phân tích thủy văn có thể áp dụng cho các đô thị có hệ thống kênh rạch phức tạp và chịu ảnh hưởng của mưa lớn, thủy triều. Việc hiệu chỉnh mô hình dựa trên số liệu thực tế là yếu tố then chốt để đảm bảo tính chính xác.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xây dựng và hiệu chỉnh thành công mô hình thủy lực hệ thống kênh rạch Quận 6, Quận 8 và huyện Bình Chánh, khớp với số liệu thực đo tại 9 trạm thủy văn.
• Lượng mưa và số trận mưa lớn tăng đáng kể trong những năm gần đây, kết hợp với thủy triều cao làm gia tăng nguy cơ ngập lụt.
• Hệ thống thoát nước hiện trạng xuống cấp, không đáp ứng được yêu cầu tiêu thoát, gây ngập úng kéo dài tại nhiều khu vực.
• Mô hình thủy lực được ứng dụng hiệu quả trong thiết kế hệ thống thoát nước chống ngập tại các tuyến đường trọng điểm như Phạm Văn Chí và Văn Thân.
• Đề xuất các giải pháp nâng cấp hệ thống cống, xây dựng hồ điều tiết, quản lý kênh rạch và áp dụng mô hình trong quy hoạch đô thị nhằm giảm thiểu ngập lụt và cải thiện môi trường sống.

Next steps: Triển khai các giải pháp cải tạo hệ thống thoát nước trong vòng 3-5 năm, đồng thời mở rộng nghiên cứu mô phỏng cho các khu vực khác của TP.HCM. Các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả quản lý đô thị.

Call to action: Các đơn vị liên quan cần phối hợp chặt chẽ trong việc thu thập số liệu, cập nhật mô hình và triển khai các dự án cải tạo hạ tầng thoát nước nhằm bảo vệ cộng đồng và phát triển bền vững đô thị TP.HCM.