Tổng quan nghiên cứu

Hà Nội, thủ đô của Việt Nam, đang đối mặt với thách thức nghiêm trọng về ngập úng do tốc độ đô thị hóa nhanh chóng không đồng bộ với sự phát triển hệ thống tiêu thoát nước. Lưu vực Đông Mỹ, nằm ở phía nam sông Hồng trong hệ thống tiêu thoát nước đô thị trung tâm Hà Nội, có diện tích khoảng 2.238,6 ha, đang chịu ảnh hưởng nặng nề bởi tình trạng ngập úng kéo dài và nghiêm trọng. Theo ước tính, mỗi năm có khoảng 300 ha đất bị ngập úng, gây thiệt hại kinh tế xã hội lên đến hàng trăm tỷ đồng, đặc biệt trong lĩnh vực nông nghiệp với thiệt hại khoảng 200 tỷ đồng/năm. Mục tiêu nghiên cứu là xác định quan hệ giữa lưu lượng thiết kế trạm bơm tiêu đầu mối Đông Mỹ và quy mô hồ điều hòa nước mưa nhằm đảm bảo tiêu thoát nước hiệu quả cho lưu vực này. Nghiên cứu tập trung vào phạm vi các công trình chính gồm trạm bơm đầu mối và hồ điều hòa, với dữ liệu thu thập từ các quy hoạch và số liệu khí tượng thủy văn tại Hà Nội trong giai đoạn gần đây. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả tiêu thoát nước, giảm thiểu ngập úng, đồng thời hỗ trợ phát triển bền vững đô thị và bảo vệ môi trường tại khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy lực, thủy văn hiện đại, trong đó nổi bật là mô hình SWMM (Storm Water Management Model) do EPA phát triển. SWMM là mô hình động lực học mô phỏng dòng chảy mặt và dòng chảy trong hệ thống tiêu thoát nước, bao gồm các thành phần như tiểu lưu vực, đường dẫn, nút nối, công trình trữ nước, máy bơm và các công trình điều chỉnh dòng chảy. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Lưu lượng thiết kế trạm bơm: Lưu lượng nước cần bơm để đảm bảo tiêu thoát nước cho lưu vực trong điều kiện mưa lớn nhất với tần suất xác định.
  • Hồ điều hòa: Công trình trữ nước mưa nhằm điều tiết lưu lượng, giảm ngập úng và bảo vệ hệ thống tiêu thoát nước.
  • Tiểu lưu vực (Subcatchment): Đơn vị thủy văn nhỏ nhất trong lưu vực, nơi hình thành dòng chảy mặt tập trung về một điểm thoát.
  • Phương pháp tối ưu hóa: Áp dụng để xác định các thông số thiết kế tối ưu của trạm bơm và hồ điều hòa nhằm cân bằng hiệu quả tiêu thoát nước và chi phí đầu tư.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khí tượng thủy văn (lượng mưa, nhiệt độ, độ ẩm), địa hình, địa chất, hiện trạng hệ thống tiêu thoát nước và quy hoạch phát triển đô thị tại lưu vực Đông Mỹ. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ lưu vực với diện tích 2.238,6 ha, phân chia thành nhiều tiểu lưu vực để mô phỏng chi tiết.

Phương pháp phân tích chính là mô hình hóa thủy lực và thủy văn bằng phần mềm SWMM phiên bản 5, kết hợp với các công cụ hỗ trợ như GIS, Excel và CAD để xử lý dữ liệu đầu vào và phân tích kết quả. Quá trình nghiên cứu được thực hiện theo timeline từ thu thập số liệu, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh mô hình, đến phân tích kết quả và đề xuất giải pháp trong khoảng thời gian từ năm 2016 đến 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Lưu lượng thiết kế trạm bơm Đông Mỹ: Các quy hoạch hiện hành có sự khác biệt lớn về lưu lượng thiết kế, dao động từ 35 m³/s đến 63,5 m³/s. Theo mô hình SWMM và phân tích tối ưu, lưu lượng thiết kế hợp lý là khoảng 41,3 m³/s, đảm bảo tiêu thoát nước hiệu quả cho lưu vực trong điều kiện mưa với tần suất 10%.

  2. Quy mô hồ điều hòa: Diện tích hồ điều hòa được đề xuất trong nghiên cứu là khoảng 19,2 ha, chiếm khoảng 0,85% diện tích lưu vực, phù hợp với tỷ lệ diện tích hồ điều hòa tối ưu từ 0,5% đến 2% theo các nghiên cứu trong nước và quốc tế. Hồ điều hòa có khả năng điều tiết lưu lượng, giảm áp lực lên trạm bơm và hệ thống kênh mương.

  3. Hiện trạng hệ thống tiêu thoát nước: Hệ thống kênh mương hiện tại bị bồi lắng, thu hẹp dòng chảy, nhiều đoạn bị vi phạm bởi xây dựng trái phép, làm giảm khả năng dẫn nước. Trạm bơm Đông Mỹ đã xuống cấp, công suất không đáp ứng được nhu cầu tiêu thoát nước hiện tại, gây ngập úng kéo dài trên diện rộng.

  4. Ảnh hưởng của đô thị hóa: Tỷ lệ diện tích bề mặt không thấm tăng lên 4-5 lần so với trước khi đô thị hóa, làm tăng nhanh dòng chảy mặt và áp lực lên hệ thống tiêu thoát nước. Nếu không có giải pháp kịp thời, ngập úng sẽ ngày càng nghiêm trọng.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô hình SWMM cho thấy sự cần thiết phải đồng bộ giữa lưu lượng thiết kế trạm bơm và quy mô hồ điều hòa để đảm bảo hiệu quả tiêu thoát nước. Việc lựa chọn lưu lượng trạm bơm quá nhỏ sẽ dẫn đến ngập úng kéo dài, trong khi quy mô hồ điều hòa không đủ sẽ làm tăng áp lực lên trạm bơm và hệ thống kênh mương. So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với các đề xuất về tỷ lệ diện tích hồ điều hòa từ 0,5% đến 2% và lưu lượng trạm bơm trong khoảng 35-45 m³/s.

Biểu đồ quan hệ giữa lưu lượng trạm bơm và diện tích hồ điều hòa thể hiện rõ xu hướng tăng diện tích hồ điều hòa khi lưu lượng trạm bơm tăng, nhằm đảm bảo không gây ngập úng cho lưu vực. Bảng tổng hợp hiện trạng hệ thống tiêu thoát nước cho thấy các tuyến kênh chính cần được cải tạo, nạo vét và xử lý vi phạm để nâng cao khả năng dẫn nước.

Ngoài ra, nghiên cứu cũng nhấn mạnh tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu với các trận mưa cực đoan ngày càng gia tăng, đòi hỏi hệ thống tiêu thoát nước phải có khả năng thích ứng cao hơn. Việc áp dụng mô hình SWMM giúp mô phỏng chính xác quá trình thủy lực, thủy văn, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế tối ưu, giảm thiểu chi phí đầu tư và vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cấp và mở rộng trạm bơm Đông Mỹ: Tăng công suất trạm bơm lên khoảng 41,3 m³/s, cải tạo hệ thống điện, bể hút và đường ống để đảm bảo vận hành ổn định. Thời gian thực hiện dự kiến trong vòng 3 năm, do Ủy ban nhân dân thành phố Hà Nội chủ trì.

  2. Xây dựng hồ điều hòa với diện tích khoảng 19,2 ha: Thiết kế hồ điều hòa có độ sâu điều tiết khoảng 3 m, đảm bảo khả năng trữ nước mưa và điều tiết lưu lượng ra trạm bơm. Thời gian hoàn thành trong 2 năm, phối hợp giữa Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn và các đơn vị tư vấn.

  3. Cải tạo hệ thống kênh mương chính: Nạo vét, khơi thông các tuyến kênh Đằng Trì - Đông Mỹ và Vạn Phúc - Đông Mỹ, xử lý vi phạm xây dựng, gia cố bờ kênh để nâng cao khả năng dẫn nước. Thời gian thực hiện 2 năm, do Ban Quản lý dự án đầu tư xây dựng thủy lợi Hà Nội đảm nhiệm.

  4. Áp dụng mô hình SWMM trong quản lý vận hành: Sử dụng mô hình để theo dõi, dự báo và điều phối hoạt động trạm bơm, hồ điều hòa và hệ thống tiêu thoát nước, nâng cao hiệu quả phòng chống ngập úng. Đào tạo cán bộ kỹ thuật và xây dựng hệ thống dữ liệu số hóa trong 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý đô thị và thủy lợi: Giúp hoạch định chính sách, quy hoạch phát triển hệ thống tiêu thoát nước phù hợp với điều kiện thực tế và biến đổi khí hậu.

  2. Các nhà quy hoạch và thiết kế công trình thủy lợi: Cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp luận để thiết kế trạm bơm, hồ điều hòa và hệ thống kênh mương hiệu quả.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật tài nguyên nước, thủy lợi: Là tài liệu tham khảo về ứng dụng mô hình SWMM trong nghiên cứu và tối ưu hóa hệ thống tiêu thoát nước đô thị.

  4. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp xây dựng hạ tầng: Hỗ trợ đánh giá hiệu quả đầu tư, lựa chọn giải pháp kỹ thuật phù hợp, giảm thiểu rủi ro và chi phí vận hành.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao lưu lượng thiết kế trạm bơm Đông Mỹ lại khác nhau trong các quy hoạch?
    Sự khác biệt do các quy hoạch áp dụng tiêu chuẩn tính toán và tần suất mưa khác nhau, cũng như chưa đồng bộ trong việc xác định các thông số kỹ thuật. Nghiên cứu này sử dụng mô hình SWMM để xác định lưu lượng tối ưu dựa trên dữ liệu thực tế và mô phỏng thủy lực.

  2. Hồ điều hòa có vai trò gì trong hệ thống tiêu thoát nước?
    Hồ điều hòa trữ nước mưa, điều tiết lưu lượng ra trạm bơm, giảm áp lực lên hệ thống kênh mương và ngăn ngừa ngập úng. Ví dụ, hồ điều hòa diện tích 19,2 ha tại Đông Mỹ giúp giảm lưu lượng đỉnh trong các trận mưa lớn.

  3. Phương pháp SWMM có ưu điểm gì so với các phương pháp truyền thống?
    SWMM mô phỏng toàn bộ quá trình thủy lực và thủy văn theo thời gian thực, bao gồm dòng chảy mặt, dòng chảy trong đường dẫn, hoạt động máy bơm và công trình điều chỉnh, giúp tính toán chính xác và đồng bộ hơn.

  4. Tại sao cần cải tạo hệ thống kênh mương hiện tại?
    Hệ thống kênh mương bị bồi lắng, thu hẹp dòng chảy và bị vi phạm xây dựng làm giảm khả năng dẫn nước, gây ngập úng kéo dài. Cải tạo giúp khơi thông dòng chảy, nâng cao hiệu quả tiêu thoát nước.

  5. Làm thế nào để ứng phó với biến đổi khí hậu trong quản lý tiêu thoát nước?
    Cần xây dựng hệ thống tiêu thoát nước có khả năng thích ứng cao, sử dụng mô hình dự báo, tăng cường hồ điều hòa và nâng cấp trạm bơm để xử lý các trận mưa cực đoan ngày càng gia tăng.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định lưu lượng thiết kế trạm bơm Đông Mỹ khoảng 41,3 m³/s và diện tích hồ điều hòa khoảng 19,2 ha là phù hợp để đảm bảo tiêu thoát nước hiệu quả cho lưu vực.
  • Mô hình SWMM được áp dụng thành công trong mô phỏng thủy lực, thủy văn và tối ưu hóa các thông số thiết kế công trình tiêu thoát nước.
  • Hệ thống tiêu thoát nước hiện tại tại Đông Mỹ đang xuống cấp, cần được cải tạo đồng bộ để đáp ứng yêu cầu phát triển đô thị và biến đổi khí hậu.
  • Đề xuất các giải pháp nâng cấp trạm bơm, xây dựng hồ điều hòa, cải tạo kênh mương và áp dụng công nghệ quản lý hiện đại nhằm giảm thiểu ngập úng và thiệt hại kinh tế xã hội.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực hiện các giải pháp kỹ thuật, đào tạo nhân lực và xây dựng hệ thống giám sát vận hành dựa trên mô hình SWMM để nâng cao hiệu quả quản lý tiêu thoát nước đô thị.

Hành động ngay hôm nay để bảo vệ môi trường và phát triển bền vững đô thị Hà Nội!