Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM) là trung tâm kinh tế xã hội lớn của khu vực phía Nam Việt Nam với diện tích tự nhiên 2.095,58 km² và độ cao trung bình so với mặt biển khoảng 6m. Quận 12, nằm ở phía Tây Bắc TP.HCM, có địa hình gò đồi với cao độ biến đổi chủ yếu từ 2 – 3m, gây khó khăn trong công tác tiêu thoát nước. Trong những năm gần đây, tốc độ đô thị hóa nhanh chóng tại khu vực này đã làm gia tăng áp lực lên hệ thống thoát nước hiện hữu, dẫn đến tình trạng ngập úng cục bộ và ngập lụt thường xuyên, đặc biệt khi có mưa lớn kết hợp với triều cường. Theo thống kê, lượng mưa trung bình năm tại TP.HCM khoảng 1.800 mm, với số ngày mưa trung bình là 159 ngày/năm, tập trung chủ yếu trong mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11. Các trận mưa lớn với lượng mưa trên 100 mm trong 1-2 giờ đã gây ngập sâu từ 0,20 đến 0,60 m tại nhiều tuyến đường, trong đó có các tuyến đường chính của Quận 12 như Nguyễn Văn Quá, Quốc lộ 1A và Phan Văn Hớn.

Mục tiêu nghiên cứu là áp dụng mô hình dự báo thủy lực MIKE FLOOD để cảnh báo ngập và đề xuất các giải pháp giảm ngập hiệu quả cho Quận 12, góp phần nâng cao khả năng quản lý và vận hành hệ thống thoát nước đô thị. Nghiên cứu tập trung trong phạm vi địa bàn Quận 12, TP.HCM, với dữ liệu thu thập từ các trạm đo mưa tự động và hệ thống thoát nước hiện trạng, trong giai đoạn từ năm 2012 đến 2017. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cải thiện độ chính xác trong dự báo ngập, giảm thiểu thiệt hại do ngập úng gây ra, đồng thời hỗ trợ các cơ quan quản lý trong việc lập kế hoạch đầu tư và vận hành hệ thống thoát nước hiệu quả hơn.

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 dòng chảy không ổn định, trong đó trọng tâm là phương trình Saint-Venant mô tả dòng chảy biến đổi dần trong hệ thống cống kín và kênh hở. Phương trình liên tục và phương trình động lượng được sử dụng để mô phỏng sự biến đổi lưu lượng và chiều sâu nước trong mạng lưới thoát nước. Các phương trình này được giải bằng các phương pháp số như phương pháp Euler cải tiến (Modified Euler Method), phương pháp tường minh nâng cao (Enhanced Explicit Method) và phương pháp lặp (Iterative Method), nhằm đảm bảo tính ổn định và chính xác của mô hình.

Phần mềm MIKE FLOOD được lựa chọn làm công cụ mô hình hóa do khả năng tích hợp mô hình thủy lực 1D (MIKE 11) và mô hình thủy động lực 2D (MIKE 21), cùng với mô hình quản lý đô thị MIKE URBAN, giúp mô phỏng chi tiết quá trình thoát nước và ngập úng trong đô thị. Các khái niệm chính bao gồm: lưu vực thoát nước, hệ số Manning (để xác định độ nhám lòng cống), sóng động lực trong cống, và các yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy như độ dốc năng lượng, tổn thất ma sát.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu mưa thu thập từ các trạm đo mưa tự động trên địa bàn TP.HCM, dữ liệu khảo sát hệ thống thoát nước hiện trạng tại Quận 12, bao gồm chiều dài cống, kích thước cống, vị trí hố ga, và các công trình tiêu thoát nước liên quan. Cỡ mẫu dữ liệu mưa được lấy trong khoảng thời gian từ năm 2012 đến 2017, với số lượng trạm đo mưa khoảng 10 trạm, đảm bảo độ tin cậy và đại diện cho khu vực nghiên cứu.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình toán thủy lực MIKE FLOOD để mô phỏng dòng chảy và dự báo ngập úng. Quá trình nghiên cứu gồm các bước: hiệu chỉnh và kiểm định mô hình dựa trên dữ liệu thực tế trận mưa ngày 6/9/2014; xây dựng các kịch bản tính toán mô hình ngập; phân tích kết quả mô phỏng; đề xuất các giải pháp giảm ngập dựa trên kết quả mô hình. Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2018 đến 2019, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh, phân tích và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng ngập úng tại Quận 12: Mô hình MIKE FLOOD cho thấy các điểm ngập chủ yếu tập trung tại các tuyến đường lớn như Nguyễn Văn Quá, Quốc lộ 1A và Phan Văn Hớn với độ sâu ngập phổ biến từ 0,20 đến 0,55 m trong các trận mưa lớn. Cụ thể, trận mưa ngày 6/9/2014 với lượng mưa khoảng 50 mm trong 2 giờ đã gây ngập sâu đến 0,40 m tại Quốc lộ 1A và 0,35 m tại Nguyễn Văn Quá.

  2. Ảnh hưởng của hệ thống thoát nước hiện hữu: Hệ thống cống thoát nước với tổng chiều dài khoảng 91.789 m, gồm nhiều kích thước cống từ Ø300 đến Ø2000 mm, chưa đáp ứng đủ khả năng tiêu thoát nước, đặc biệt tại các khu vực có địa hình thấp và hệ thống cống nhỏ, gây ra hiện tượng ngập úng cục bộ. Tỷ lệ diện tích ngập trên tổng diện tích lưu vực tại một số khu vực có thể lên đến 15-20% trong các trận mưa lớn.

  3. Hiệu quả mô hình MIKE FLOOD: Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định với hệ số tương quan R² đạt khoảng 0,85, cho thấy độ chính xác cao trong việc dự báo mực nước và lưu lượng dòng chảy. Mô hình cũng cho phép phân tích chi tiết diễn biến ngập úng theo thời gian và không gian, hỗ trợ việc cảnh báo sớm và quản lý ngập hiệu quả.

  4. Đánh giá các kịch bản giải pháp giảm ngập: Các giải pháp mở rộng kích thước cống và chia nhỏ lưu vực thoát nước (kịch bản GP2) đã giảm tổng độ sâu ngập trung bình tại các điểm ngập chính từ 0,40 m xuống còn khoảng 0,20 m, tương đương giảm 50% độ sâu ngập. Giải pháp này cũng giúp giảm diện tích ngập và thời gian ngập úng đáng kể.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính gây ngập tại Quận 12 là do hệ thống thoát nước hiện tại không đồng bộ, kết hợp với địa hình thấp và biến đổi khí hậu làm gia tăng lượng mưa cục bộ. Kết quả mô hình MIKE FLOOD phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ngập úng đô thị tại TP.HCM, đồng thời cung cấp dữ liệu chi tiết hơn về diễn biến ngập theo thời gian thực. Việc áp dụng mô hình này giúp các nhà quản lý có thể dự báo chính xác hơn và đưa ra các biện pháp ứng phó kịp thời.

Dữ liệu mô hình có thể được trình bày qua biểu đồ diễn biến mực nước tại các nút thu nước, bản đồ phân bố độ sâu ngập theo từng thời điểm, và bảng so sánh độ sâu ngập trước và sau khi áp dụng các giải pháp. Điều này giúp minh bạch hóa hiệu quả của các phương án giảm ngập và hỗ trợ quyết định đầu tư.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng và nâng cấp hệ thống cống thoát nước: Tăng kích thước cống tại các tuyến đường trọng điểm như Quốc lộ 1A, Nguyễn Văn Quá và Phan Văn Hớn nhằm tăng khả năng tiêu thoát nước, giảm độ sâu ngập trung bình ít nhất 30% trong vòng 3 năm tới. Chủ thể thực hiện: Sở Giao thông Vận tải TP.HCM phối hợp với UBND Quận 12.

  2. Chia nhỏ lưu vực thoát nước và xây dựng hệ thống thu gom nước mưa hiệu quả: Áp dụng kịch bản phân vùng lưu vực nhỏ hơn để kiểm soát và xử lý nước mưa tại từng khu vực, giảm diện tích ngập và thời gian ngập úng, dự kiến hoàn thành trong 2 năm. Chủ thể thực hiện: Trung tâm Điều hành Chương trình chống ngập nước TP.HCM.

  3. Xây dựng hệ thống cảnh báo ngập dựa trên mô hình MIKE FLOOD: Triển khai hệ thống cảnh báo sớm ngập úng cho người dân và các cơ quan quản lý, nâng cao khả năng ứng phó kịp thời với các trận mưa lớn, hoàn thành trong 1 năm. Chủ thể thực hiện: Sở Thông tin và Truyền thông phối hợp với Trung tâm Chống ngập.

  4. Tăng cường công tác bảo trì, nạo vét kênh rạch và hệ thống cống: Định kỳ kiểm tra, nạo vét các tuyến kênh, rạch và cống thoát nước để đảm bảo lưu thông dòng chảy, giảm thiểu tắc nghẽn gây ngập, thực hiện liên tục hàng năm. Chủ thể thực hiện: Công ty TNHH MTV Thoát nước Đô thị TP.HCM.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý đô thị và giao thông TP.HCM: Sử dụng kết quả nghiên cứu để lập kế hoạch đầu tư, nâng cấp hệ thống thoát nước, giảm thiểu ngập úng và cải thiện hạ tầng giao thông.

  2. Các nhà nghiên cứu và chuyên gia thủy lợi, môi trường: Tham khảo phương pháp mô hình hóa thủy lực và ứng dụng phần mềm MIKE FLOOD trong nghiên cứu và quản lý ngập đô thị.

  3. Các đơn vị tư vấn thiết kế và xây dựng công trình giao thông, thoát nước: Áp dụng các giải pháp kỹ thuật đề xuất để thiết kế hệ thống thoát nước phù hợp với điều kiện địa phương và biến đổi khí hậu.

  4. Cộng đồng dân cư và tổ chức xã hội tại Quận 12: Nắm bắt thông tin cảnh báo ngập và các giải pháp giảm ngập để chủ động phòng tránh và tham gia giám sát công tác quản lý ngập.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình MIKE FLOOD có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
    MIKE FLOOD tích hợp mô hình thủy lực 1D và 2D, cho phép mô phỏng chi tiết dòng chảy trong cống và trên bề mặt, giúp dự báo ngập chính xác hơn. Ví dụ, mô hình này đã đạt hệ số tương quan R² khoảng 0,85 khi kiểm định với dữ liệu thực tế.

  2. Tại sao Quận 12 thường xuyên bị ngập dù đã có hệ thống cống thoát nước?
    Nguyên nhân chính là do hệ thống cống hiện tại chưa đồng bộ, kích thước cống nhỏ, địa hình thấp và biến đổi khí hậu làm tăng lượng mưa cục bộ vượt quá khả năng tiêu thoát.

  3. Các giải pháp đề xuất có thể giảm ngập hiệu quả trong bao lâu?
    Các giải pháp như mở rộng cống và chia nhỏ lưu vực thoát nước có thể giảm độ sâu ngập trung bình đến 50% trong vòng 2-3 năm sau khi triển khai.

  4. Làm thế nào để người dân nhận được cảnh báo ngập kịp thời?
    Hệ thống cảnh báo dựa trên mô hình MIKE FLOOD sẽ được tích hợp với các kênh truyền thông như SMS, ứng dụng di động và bảng điện tử tại các điểm ngập để thông báo sớm cho người dân.

  5. Có thể áp dụng mô hình này cho các quận khác của TP.HCM không?
    Có, mô hình MIKE FLOOD có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các khu vực khác với dữ liệu địa phương phù hợp, giúp quản lý ngập hiệu quả trên toàn thành phố.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã áp dụng thành công mô hình MIKE FLOOD để dự báo ngập và đánh giá hiện trạng ngập úng tại Quận 12, TP.HCM.
  • Hệ thống thoát nước hiện tại chưa đáp ứng đủ nhu cầu tiêu thoát nước, dẫn đến ngập úng cục bộ với độ sâu ngập phổ biến từ 0,20 đến 0,60 m.
  • Các giải pháp mở rộng kích thước cống và phân vùng lưu vực thoát nước nhỏ hơn giúp giảm đáng kể độ sâu và diện tích ngập.
  • Mô hình cho phép xây dựng hệ thống cảnh báo ngập sớm, hỗ trợ công tác quản lý và ứng phó kịp thời.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm triển khai các giải pháp kỹ thuật, nâng cấp hệ thống cảnh báo và tăng cường bảo trì hệ thống thoát nước nhằm giảm thiểu ngập úng tại Quận 12.

Call-to-action: Các cơ quan quản lý và nhà đầu tư cần phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất để nâng cao hiệu quả chống ngập, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng mô hình MIKE FLOOD cho các khu vực khác của TP.HCM.