Đặt vấn đề Hệ thống thoát nước cần thiết ở các khu vực đô thị phát triển vì mối liên hệ tương quan giữa hoạt động của con người và chu trình nước tự nhiên, gồm hai dạng chính: Loại thứ nhất, nước thải, là nước cấp sau khi sử dụng vào mục đích sinh hoạt, sản xuất. Sau khi sử dụng, nếu không được thoát nước đúng cách, nó có thể gây ô nhiễm và gây nguy hiểm cho sức khỏe. Nước thải chứa vật chất hòa tan, chất rắn mịn và chất rắn lớn hơn, có nguồn gốc từ nhà vệ sinh, từ quá trình giặt giũ khác nhau, từ công nghiệp và từ các mục đích sử dụng nước khác, chứa nhiều hợp chất vô cơ, hữu cơ dễ bị phân hủy thối rửa và chứa nhiều vi trùng gây và truyền bệnh nguy hiểm [1]. Loại nước thứ hai là nước mưa, chảy trên các mái nhà, mặt đường, sân vườn.
Nếu nước mưa không được tiêu thoát đúng cách, nó sẽ gây ra bất tiện, thiệt hại, lũ lụt và các nguy cơ về sức khỏe. Nước mưa chứa một số chất ô nhiễm, có nguồn gốc từ mưa, không khí hoặc bề mặt lưu vực. Nếu những loại nước thải này xả một cách bừa bãi, sẽ gây ô nhiễm môi trường nước, đất và không khí, nảy sinh và lan truyền các thứ bệnh hiểm nghèo ảnh hưởng tới sức khỏe của con người và động vật. Mặt khác, nếu không thu gom, vận chuyển đi thì có thể gây nên tình trạng ngập lụt trong các điểm dân cư, xí nghiệp công nghiệp, làm hạn chế đất đai xây dựng, ảnh hưởng đến nền móng công trình, gây trở ngại giao thông và tác hại tới một số ngành kinh tế khác… Vì vậy nhiệm vụ của hệ thống thoát nước là thu gom, vận chuyển nhanh chóng mọi loại nước thải ra khỏi khu vực dân cư, xí nghiệp công nghiệp, đồng thời xử lý và khử trùng đạt yêu cầu vệ sinh trước khi xả vào nguồn tiếp nhận (ao, hồ, sông, biển…), điều này giúp quản lý tác động đến đời sống con người và môi trường [1].
Ở nhiều khu vực đô thị hóa, hệ thống thoát nước được xây dựng có hệ thống đầy đủ: các đường ống và công trình thu gom và xử lý nước. Ở các khu vực đã xây dựng cũ, mức độ đô thị hóa còn hạn chế thường không có hệ thống thoát nước chính. Nước thải được xử lý cục bộ (hoặc hoàn toàn không), nước mưa được thoát tự nhiên vào lòng đất. HVTH: VÕ MỸ NGUYỆT – 1970718 1 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ 2023 Hình 1.
Hình ảnh ngập nước tại một tuyến đường trong Thành Phố Hệ thống thoát nước phổ biến nhất ở các đô thị của Việt Nam là hệ thống thoát nước chung, phát triển trên cơ sở cống thoát nước mưa hình thành từ trước, kích thước và độ dốc cống nhỏ, mật độ tính theo chiều dài trên đầu người thấp, ít khi được sửa chữa, duy tu, bảo dưỡng nên bị xuống cấp nghiêm trọng, không còn đủ khả năng phục vụ tiêu thoát nước hiện tại cho các đô thị; việc xây dựng bổ sung được thực hiện một cách chắp vá, không theo quy hoạch lâu dài, không đáp ứng được yêu cầu phát triển đô thị. Tình hình ngập lụt hiện nay tại các đô thị của Việt Nam đang ngày càng trở nên phức tạp, khó lường, nhất là tại những đô thị có tốc độ đô thị hóa nhanh, mật độ dân số lớn như thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội. Tại thành phố Hồ Chí Minh đã nổ lực triển khai đồng bộ các giải pháp dự án thoát nước, chống ngập với nguồn kinh phí hàng chục ngàn tỷ đồng, tuy nhiên tình trạng ngập úng do mưa vẫn xảy ra, kể cả những thời điểm mực nước triều thấp. Ngập lụt đang là yếu tố cản trở sự phát triển bền vững của thành phố, ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng cuộc sống của người dân.
thể hiện trình trạng ngập nước tại một tuyến đường trong Thành Phố. Nguyên nhân ngập úng do hệ thống tiêu (cống tiêu, kênh tiêu.): Đặc biệt là khu nội thành, hệ thống tiêu thoát nước cũ kỹ, hư hỏng, không hoặc chưa được HVTH: VÕ MỸ NGUYỆT – 1970718 2 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ 2023 duy tu, bão dưỡng, nạo vét thường xuyên hoặc chưa được hoàn chỉnh,… cho nên khi có mưa (dù mưa vừa) cũng đã gây nên ngập úng nhiều khu vực của thành phố.2 minh họa hình ảnh cống thoát cũ bị tắt nên nước thải bị ùng ứ đọng vũng [2]. Nguyên nhân ngập úng do đô thị hoá: Quá trình đô thị hoá thành phố đã làm giảm sự điều tiết tự nhiên của bề mặt lưu vực. Đối với nội thành, phần lớn đất đai được bê tông hoá, nhựa hoá xây dựng nhà, công xưởng, đường sá.
Do vậy, khi mưa xuống, hầu như toàn bộ mưa đều tập trung thành dòng chảy (đường trở thành sông cũng chính vì vậy), không thể thấm xuống đất để giảm bớt lượng dòng chảy tập trung, tệ hơn, hệ thống kênh rạch, ao hồ bị san lấp vô tội vạ như rạch Ông Kích, rạch Bà Lài, rạch Cụt, Bình Tiên, Bà Lài, Đầm Sen, ao Sen, v.v…Nhiều kênh rạch khác đang ở trong tình trạng báo động đỏ như rạch Lăng, rạch Bình Lợi, rạch Văn Thánh,… [2] Nguyên nhân ngập úng do ý thức của người dân chưa cao: Người dân thường có những hành vi như xả rác bừa bãi ra đường dẫn đến bít đường ống tiêu thoát nước làm cho tình trạng tiêu thoát nước khó khăn. Bên cạnh đó, TP.HCM cũng đang trong quá trình phát triển và đang là “đại công trường xây dựng” với rất nhiều xe cộ thực hiện vận chuyển các vật liệu xây dựng như cát sỏi gây vương vãi, khi mưa đến tập trung vào các hố ga, miệng cống làm giảm tiết diện tải nước cũng như làm tăng độ nhám của hệ thống, cản trở quá trình di chuyển của dòng chảy làm cho tình trạng ngập úng trầm trọng hơn. Mặt khác nhiều kênh rạch bị san lấp làm mất thể tích trữ nước [2]. Nguyên nhân ngập úng do công tác quản lý đô thị kém: Việc quản lý kém có nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan khác nhau.
Trên thực tế, hiện trạng các hệ thống công trình tiêu còn thiếu, còn yếu thì điều rõ ràng giải quyết tốt các vấn đề tiêu thoát một cách triệt để là khó khả thi, và thực tế đã chứng minh điều này. Bên cạnh đó, chi phí xây dựng mới, cải tạo, nâng cấp hệ thống tiêu thoát nước đối với TP.HCM cần có nguồn vốn lớn. Tuy nhiên, vấn đề này còn có nguyên nhân chủ quan là tiến độ thực hiện các dự án, giải quyết vấn đề thường chậm, mối liên hệ phối hợp trong nghiên cứu, chủ động tìm giải pháp thích hợp chưa được quan tâm đúng mức [2]. HVTH: VÕ MỸ NGUYỆT – 1970718 3 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ 2023 Hình 1.
Hình ảnh cống thoát cũ bị tắt nên nước thải bị ùng ứ đọng vũng Qua đánh giá hiện trạng có thể thấy việc qui hoạch, xây dựng hệ thống thoát nước là chưa hợp lý, việc quản lý phối hợp giữa các ngành giao thông công chính và các ngành khác chưa chặt chẽ, đã gây ra không ít những khó khăn và phức tạp trong quản lý thoát nước hiện nay. Cần tách hệ thống thoát nước thải riêng biệt với hệ thống thoát nước mưa, lên phương án cải tạo, sửa chữa các cống đã cũ mục. Hầu hết các đô thị mới đang được áp dụng hệ thống thoát nước thải riêng biệt, các khu vực đã có mạng lưới thoát nước chung chưa có xử lý nước thải cần phải được đầu tư, nâng cấp, cải tạo thành hệ thống thoát nước riêng hoặc xây dựng các giếng tràn nước mưa, các tuyến cống bao hoặc cống gom để thu gom, vận chuyển nước thải về nhà máy xử lý nước thải tập trung.2 Sự cần thiết của đề tài Việc chăm sóc môi trường và tính bền vững là vô cùng quan trọng đối với con người, cần sự hiểu biết và xử lý các thách thức của phát triển bền vững. Một trong những bước chính trong việc hướng tới sự bền vững là thiết kế và vận hành hiệu quả các hệ thống cơ sở hạ tầng.
Mạng lưới cống thoát nước là một trong những thành phần quan trọng nhất của cơ sở hạ tầng quản lý tài nguyên nước. minh họa quá trình thoát nước của khu vực tự nhiên và khu đô thị. HVTH: VÕ MỸ NGUYỆT – 1970718 4 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ 2023 Hình 1. Hình ảnh minh họa quá trình thoát nước của khu vực tự nhiên và khu đô thị [3] HVTH: VÕ MỸ NGUYỆT – 1970718 5 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ 2023 Hệ thống thoát nước đóng vai trò quan trọng trong nhu cầu phát triển đô thị hóa hiện nay, là cấu trúc quan trọng được thiết kế để bảo vệ sức khỏe con người và môi trường.
Thoát nước đô thị đưa ra một loạt các thách thức môi trường vừa hiện đại vừa cổ điển: nhu cầu cải tiến kỹ thuật hiệu quả về chi phí và đảm bảo thỏa mãn các hệ thống hạ tầng hiện hữu, nhu cầu đánh giá tác động của các hệ thống đó và nhu cầu tìm kiếm các giải pháp bền vững và có khả năng chống chịu. Việc xây dựng và bảo trì mạng lưới cống thoát nước khá tốn kém. Tuy nhiên, chi phí xây dựng mạng lưới cống thoát nước có thể giảm đáng kể nếu cấu hình mạng có thể được tối ưu hóa hiệu quả. Tìm kiếm một thiết kế ít tốn kém tối ưu của mạng lưới cống thoát nước là khó khăn vì nhiều giải pháp thay thế, nhiều hạn chế thủy lực và kỹ thuật phức tạp.
Hơn nữa, kích thước của mạng lưới cống thoát nước nhìn chung khá lớn, do đó việc tối ưu hóa quy mô lớn thường khó giải quyết, việc áp dụng các thuật toán tối ưu hóa là điều cần thiết. Để thiết kế mạng lưới cống, trước tiên cần xác định bố cục cơ sở của mạng. Để xác định bố cục cơ sở, thông tin hiện có như địa hình và kế hoạch khu vực mạng lưới cống thoát nước, bố trí các tiện ích khác, vị trí của các nhà máy xử lý nước thải và các hệ thống con hiện có khác nên được thu thập. Mục đích của thiết kế mạng lưới cống thoát nước tối ưu là tìm ra một giải pháp hiệu quả chi phí giúp giảm thiểu đầu tư vốn trong khi đảm bảo hiệu suất hệ thống tốt theo các tiêu chí thiết kế cụ thể.
Hai chi phí chính của mạng lưới cống thoát nước là chi phí đào đắp và chi phí đường ống, thường tạo ra các mục tiêu mâu thuẫn trong việc thiết kế mạng lưới cống thoát nước. Giảm kích thước đường ống thường sẽ dẫn đến sự gia tăng độ dốc của đường ống, làm tăng chi phí đào đắp.
