Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh đô thị hóa diễn ra nhanh chóng trên toàn cầu, Việt Nam cũng không nằm ngoài xu thế này, đặc biệt tại các thành phố lớn như Đà Nẵng. Từ năm 2009 đến 2022, quận Ngũ Hành Sơn, thành phố Đà Nẵng, đã chứng kiến sự biến động không gian đô thị mạnh mẽ với tỷ lệ đô thị hóa đạt khoảng 90-93%. Quá trình này đã làm giảm đáng kể diện tích cây xanh, đất trống và mặt nước, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng thoát nước và gây ra hiện tượng ngập lụt đô thị. Theo thống kê, trong giai đoạn 1998-2020, mưa lũ đã gây thiệt hại nghiêm trọng cho Đà Nẵng với hơn 200 người chết và thiệt hại kinh tế lên đến hàng nghìn tỷ đồng. Cơn bão số 5 năm 2022 với lượng mưa gần 800mm đã làm ngập lụt toàn thành phố, gây thiệt hại lớn về người và tài sản.

Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) để phân tích biến động không gian đô thị tại quận Ngũ Hành Sơn trong giai đoạn 2009-2022, từ đó đánh giá khả năng ngập lụt đô thị và đề xuất các giải pháp thoát nước bền vững. Phạm vi nghiên cứu bao gồm toàn bộ 4 phường của quận Ngũ Hành Sơn với dữ liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao và số liệu khí tượng thủy văn thực tế. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quản lý, quy hoạch đô thị và giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt gây ra, góp phần phát triển đô thị bền vững tại Đà Nẵng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết đô thị hóa và mô hình quản lý nước mưa SWMM. Đô thị hóa được hiểu là quá trình mở rộng không gian và tăng mật độ dân cư đô thị, ảnh hưởng đến môi trường và hệ sinh thái. Mô hình SWMM (Storm Water Management Model) là mô hình thủy văn - thủy lực mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy trong đô thị, giúp đánh giá khả năng thoát nước và ngập lụt.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: lớp phủ mặt đất (đất xây dựng, đất trống, mặt nước, thực vật), biến động không gian đô thị, độ phân giải ảnh viễn thám (không gian, phổ, thời gian), và hệ số Kappa dùng để đánh giá độ chính xác phân loại ảnh. Viễn thám và GIS được sử dụng để phân loại lớp phủ mặt đất, phân tích biến động không gian và tích hợp dữ liệu địa lý phục vụ mô hình hóa thủy văn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính gồm ảnh vệ tinh RapidEye năm 2009 (độ phân giải 5m) và PlanetScope năm 2022 (độ phân giải 3m), dữ liệu khí tượng thủy văn từ các trạm đo mưa trên địa bàn quận Ngũ Hành Sơn trong năm 2022, cùng dữ liệu hạ tầng thoát nước đô thị do Công ty Thoát nước và Xử lý nước thải Đà Nẵng cung cấp.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân loại ảnh viễn thám có kiểm định: sử dụng thuật toán Maximum Likelihood Classification trên phần mềm GRASS GIS để phân loại lớp phủ mặt đất thành 4 loại chính. Độ chính xác phân loại được kiểm chứng bằng phương pháp thực địa với 40 điểm mẫu và tính hệ số Kappa đạt giá trị cao.

  • Phân tích biến động không gian đô thị: dựa trên ma trận biến động giữa hai thời điểm 2009 và 2022, sử dụng công cụ GIS để xác định các khu vực thay đổi lớp phủ, đặc biệt là sự mở rộng đất xây dựng và thu hẹp đất trống, thực vật.

  • Mô hình hóa SWMM: xây dựng mô hình thủy văn cho hai tiểu lưu vực tiêu biểu (khu dân cư An Thượng 1 và hồ K20) với dữ liệu địa hình, mưa, hệ thống thoát nước để mô phỏng dòng chảy và đánh giá nguy cơ ngập lụt. Kết quả mô hình được so sánh với dữ liệu thực địa để kiểm chứng.

  • Phương pháp thực địa: khảo sát hiện trạng ngập lụt và lấy mẫu lớp phủ mặt đất để kiểm tra độ chính xác phân loại ảnh và mô hình hóa.

  • Phân tích tổng hợp: tích hợp kết quả phân loại ảnh, biến động không gian và mô hình SWMM để đánh giá mối quan hệ giữa đô thị hóa và ngập lụt, từ đó đề xuất giải pháp quản lý.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Biến động lớp phủ đô thị: Diện tích đất xây dựng tại quận Ngũ Hành Sơn tăng từ 1.235,41 ha (31,51%) năm 2009 lên 2.286,55 ha (58,3%) năm 2022, tăng gần 85%. Ngược lại, diện tích đất trống giảm mạnh từ 2.053,74 ha (52,38%) xuống còn 518,91 ha (13,23%), giảm hơn 74%. Diện tích thực vật tăng từ 324,69 ha (8,28%) lên 843,88 ha (21,52%), trong khi mặt nước giảm nhẹ từ 307,3 ha (7,84%) xuống 271,8 ha (6,93%).

  2. Độ chính xác phân loại ảnh: Hệ số Kappa tính toán từ 40 điểm thực địa đạt khoảng 0,8, cho thấy độ chính xác phân loại cao, đảm bảo tin cậy cho các phân tích biến động không gian.

  3. Mô hình SWMM và đánh giá ngập lụt: Mô hình mô phỏng hai tiểu lưu vực An Thượng 1 và hồ K20 cho thấy các khu vực có nguy cơ ngập lụt cao tập trung ở những vùng có mật độ xây dựng cao và hệ thống thoát nước chưa đồng bộ. Ví dụ, trận mưa lịch sử ngày 14/10/2022 với lượng mưa gần 800mm đã gây ngập sâu trung bình 0,5m tại các khu dân cư thấp trũng chưa được đầu tư hạ tầng thoát nước.

  4. Mối quan hệ đô thị hóa và ngập lụt: Sự gia tăng diện tích đất không thấm (đất xây dựng) làm giảm khả năng thấm nước tự nhiên, tăng dòng chảy bề mặt và áp lực lên hệ thống thoát nước, dẫn đến ngập úng cục bộ. Các khu vực có diện tích cây xanh và mặt nước giảm mạnh có nguy cơ ngập lụt cao hơn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của ngập lụt đô thị tại quận Ngũ Hành Sơn là do sự biến đổi không gian đô thị nhanh chóng, làm mất đi các bề mặt thấm nước tự nhiên và làm quá tải hệ thống thoát nước hiện có. Kết quả mô hình SWMM phù hợp với quan sát thực địa, cho thấy tính ứng dụng cao của mô hình trong đánh giá ngập lụt đô thị. So sánh với các nghiên cứu tương tự tại các thành phố lớn khác như Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh, kết quả cũng phản ánh xu hướng chung của đô thị hóa và tác động đến ngập lụt.

Việc sử dụng ảnh viễn thám và GIS cho phép cập nhật nhanh chóng, chính xác biến động không gian đô thị, hỗ trợ hiệu quả cho công tác quy hoạch và quản lý tài nguyên. Biểu đồ thể hiện sự thay đổi diện tích các lớp phủ qua các năm và bản đồ biến động không gian đô thị sẽ minh họa rõ nét quá trình đô thị hóa và tác động đến môi trường thoát nước.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường phát triển hệ thống thoát nước đô thị: Cải tạo, nâng cấp hệ thống cống thoát nước hiện có, đặc biệt tại các khu vực có mật độ xây dựng cao và thường xuyên ngập úng, nhằm giảm thiểu ngập lụt cục bộ. Chủ thể thực hiện: UBND quận Ngũ Hành Sơn phối hợp với Công ty Thoát nước Đà Nẵng. Thời gian: 3-5 năm.

  2. Bảo tồn và phát triển diện tích cây xanh, mặt nước: Giữ lại các khu vực cây xanh, hồ tự nhiên và tạo thêm các không gian xanh công cộng để tăng khả năng thấm nước và điều hòa môi trường. Chủ thể thực hiện: Sở Xây dựng, Ban quản lý đô thị. Thời gian: liên tục, ưu tiên trong quy hoạch mới.

  3. Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong quản lý đô thị: Thiết lập hệ thống giám sát biến động không gian đô thị định kỳ để cập nhật kịp thời các thay đổi và đánh giá tác động đến ngập lụt, hỗ trợ ra quyết định quy hoạch. Chủ thể thực hiện: Trung tâm GIS thành phố, các viện nghiên cứu. Thời gian: triển khai ngay và duy trì lâu dài.

  4. Xây dựng các hồ điều tiết và công trình thoát nước bền vững: Thiết kế và xây dựng các hồ điều tiết nước mưa, hệ thống thoát nước bền vững phù hợp với đặc điểm địa hình và biến động đô thị của quận. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án đầu tư xây dựng. Thời gian: 5 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quy hoạch đô thị và quản lý tài nguyên môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các kế hoạch phát triển đô thị bền vững, giảm thiểu tác động ngập lụt.

  2. Cơ quan quản lý thoát nước và phòng chống thiên tai: Áp dụng mô hình SWMM và dữ liệu viễn thám để đánh giá nguy cơ ngập lụt, lên kế hoạch cải tạo hệ thống thoát nước.

  3. Các nhà nghiên cứu và học viên ngành Quản lý tài nguyên và Môi trường, Địa lý học: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong phân tích biến động không gian đô thị.

  4. Các nhà đầu tư và phát triển bất động sản: Hiểu rõ tác động của đô thị hóa đến môi trường và hạ tầng, từ đó đưa ra các quyết định đầu tư phù hợp, tránh các khu vực có nguy cơ ngập lụt cao.

Câu hỏi thường gặp

  1. Viễn thám và GIS có ưu điểm gì trong nghiên cứu đô thị hóa?
    Viễn thám cung cấp dữ liệu đa thời gian, phủ rộng diện tích lớn với chi phí thấp và thời gian nhanh. GIS hỗ trợ phân tích không gian, tích hợp dữ liệu đa dạng giúp đánh giá biến động đô thị chính xác và hiệu quả.

  2. Mô hình SWMM được sử dụng như thế nào trong đánh giá ngập lụt?
    SWMM mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy trong đô thị dựa trên dữ liệu mưa, địa hình và hệ thống thoát nước, giúp xác định các khu vực có nguy cơ ngập lụt và đánh giá hiệu quả hệ thống thoát nước.

  3. Độ chính xác phân loại ảnh viễn thám được đánh giá ra sao?
    Độ chính xác được đánh giá bằng hệ số Kappa, trong nghiên cứu này đạt khoảng 0,8, cho thấy kết quả phân loại có độ tin cậy cao, phù hợp cho phân tích biến động không gian.

  4. Nguyên nhân chính gây ngập lụt đô thị tại quận Ngũ Hành Sơn là gì?
    Nguyên nhân chính là sự gia tăng diện tích đất không thấm do đô thị hóa nhanh, làm giảm khả năng thấm nước tự nhiên và quá tải hệ thống thoát nước hiện có, dẫn đến ngập úng cục bộ.

  5. Giải pháp nào hiệu quả để giảm thiểu ngập lụt đô thị?
    Giải pháp bao gồm nâng cấp hệ thống thoát nước, bảo tồn và phát triển cây xanh, xây dựng hồ điều tiết nước mưa, và ứng dụng công nghệ viễn thám, GIS để quản lý và quy hoạch đô thị bền vững.

Kết luận

  • Đô thị hóa tại quận Ngũ Hành Sơn giai đoạn 2009-2022 diễn ra nhanh chóng với diện tích đất xây dựng tăng gần 85%, trong khi đất trống giảm hơn 74%.
  • Ứng dụng viễn thám và GIS cho phép phân loại lớp phủ mặt đất chính xác với hệ số Kappa khoảng 0,8, hỗ trợ phân tích biến động không gian hiệu quả.
  • Mô hình SWMM mô phỏng chính xác khả năng ngập lụt tại các tiểu lưu vực tiêu biểu, phản ánh đúng hiện trạng và giúp xác định nguyên nhân ngập úng.
  • Mối quan hệ giữa biến động đô thị và ngập lụt được làm rõ, cho thấy đô thị hóa làm giảm khả năng thoát nước tự nhiên và tăng nguy cơ ngập lụt.
  • Các giải pháp thoát nước bền vững và quản lý đô thị dựa trên công nghệ viễn thám, GIS được đề xuất nhằm giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt và phát triển đô thị bền vững.

Tiếp theo, cần triển khai các giải pháp đề xuất, mở rộng nghiên cứu áp dụng cho toàn thành phố Đà Nẵng và các đô thị ven biển khác. 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 và phòng chống ngập lụt.