Tổng quan nghiên cứu

Tình trạng ngập lụt tại Thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM) ngày càng nghiêm trọng do tác động của biến đổi khí hậu và sự gia tăng dân số đô thị. Theo số liệu từ trạm Phú An, mực triều đã tăng từ 1,43 m năm 2000 lên 1,77 m năm 2019, đồng thời các trận mưa lớn với vũ lượng trên 50-100 mm ngày càng xuất hiện nhiều hơn. Lưu vực Nam Nhiêu Lộc, với diện tích khoảng 9,7 km², nằm ở trung tâm TP.HCM, bao gồm các quận 1, 3, 10 và Tân Bình, là khu vực chịu ảnh hưởng nặng nề bởi ngập lụt do mưa và triều cường. Dân số khu vực này chiếm hơn 81% dân số đô thị, với mật độ dân cư cao, đặc biệt tại các quận trung tâm.

Mục tiêu nghiên cứu là thiết lập mô hình Mike Flood để đánh giá mức độ ngập lụt, xác định độ sâu và diện tích ngập tại các tuyến đường trọng điểm trong lưu vực Nam Nhiêu Lộc, đồng thời phân tích khả năng thoát nước qua các trận ngập thực tế và kịch bản thiết kế. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô phỏng ngập lụt do mưa và triều cường trong lưu vực này, nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho việc đề xuất các giải pháp giảm thiểu ngập lụt hiệu quả.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ quản lý đô thị, nâng cao khả năng ứng phó với ngập lụt, đồng thời góp phần phát triển bền vững hệ thống thoát nước tại TP.HCM. Kết quả mô hình hóa dự kiến sẽ giúp xác định các điểm ngập trọng yếu, từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý phù hợp nhằm giảm thiểu thiệt hại kinh tế - xã hội do ngập lụt gây ra.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike Flood, một công cụ tích hợp mô hình thủy văn, thủy lực và mô hình ngập lụt đô thị, bao gồm các thành phần chính:

  • Mô hình thủy văn NAM: Mô hình mưa-dòng chảy tất định, mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy từ lượng mưa trên lưu vực, được tích hợp trong Mike 11. Mô hình này giúp tính toán lượng nước mặt tạo ra từ mưa dựa trên các thông số như bốc hơi, dòng chảy mặt và dòng chảy thấm.

  • Mô hình thủy lực Mike 11 và Mike Urban: Mike 11 mô phỏng dòng chảy 1 chiều trên mạng sông, kênh; Mike Urban mô phỏng dòng chảy trong hệ thống cống thoát nước đô thị. Hai mô hình này phối hợp để mô phỏng dòng chảy trong hệ thống thoát nước và mạng lưới kênh rạch.

  • Mô hình dòng chảy 2 chiều Mike 21: Mô phỏng dòng chảy tràn trên bề mặt địa hình, giúp đánh giá mức độ ngập lụt khi hệ thống thoát nước bị quá tải hoặc khi có hiện tượng tràn bờ.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số không thấm nước (imperviousness), đường cong thời gian-diện tích (Time-Area Curve) để mô phỏng dòng chảy mặt, điều kiện biên mưa và triều, cùng các thông số thủy lực như hệ số Manning, vận tốc dòng chảy, và mực nước tại các điểm nút.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình hóa kết hợp thu thập và xử lý dữ liệu thực tế:

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu mưa, triều, địa hình (DEM 5m x 5m từ công nghệ Lidar), hệ thống thoát nước, bản đồ giao thông và dân cư được thu thập từ các cơ quan như Phân Viện Khoa Học Khí Tượng Thủy Văn và Biến Đổi Khí Hậu, Công ty Thoát Nước Đô Thị TP.HCM, Trung tâm Quản lý Hạ tầng Kỹ thuật TP.HCM.

  • Phương pháp chọn mẫu: Lưu vực Nam Nhiêu Lộc được phân chia thành các tiểu lưu vực dựa trên đặc điểm địa hình và hệ thống thoát nước hiện trạng, phù hợp với mô hình Time-Area Method.

  • Phương pháp phân tích: Thiết lập mô hình Mike Flood kết hợp Mike Urban và Mike 21 để mô phỏng dòng chảy trong hệ thống cống và dòng chảy tràn trên bề mặt. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình dựa trên số liệu mực nước và ngập thực tế các trận mưa lớn năm 2015 và 2016.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập dữ liệu và thiết lập mô hình trong năm 2020, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình trong quý đầu năm 2021, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp trong quý II và III năm 2021.

Phương pháp nghiên cứu còn bao gồm tham vấn ý kiến chuyên gia trong lĩnh vực thủy văn, cấp thoát nước và sử dụng phần mềm GIS để xử lý dữ liệu bản đồ, số hóa hệ thống thoát nước và trình bày kết quả dưới dạng bản đồ ngập lụt.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình: Mô hình Mike Flood đã được hiệu chỉnh với sai số trung bình mực nước tại các trạm Phú An và Nhà Bè dưới 10%, đảm bảo độ tin cậy trong mô phỏng. Kết quả kiểm định cho thấy mô hình phù hợp với số liệu thực đo trong các trận mưa ngày 15/9/2015 và 26/9/2016.

  2. Đánh giá ngập lụt theo kịch bản thực tế: Mô hình mô phỏng chính xác các điểm ngập tại các tuyến đường như Mai Thị Lựu, 3 Tháng 2, Tô Hiến Thành với độ sâu ngập từ 0,15 đến 0,55 m, tương ứng với quan sát thực tế. Diện tích ngập trong lưu vực Nam Nhiêu Lộc chiếm khoảng 20-30% diện tích tổng thể trong các trận mưa lớn.

  3. Kịch bản thiết kế mưa và triều: Khi mô phỏng các kịch bản mưa thiết kế chu kỳ 10 năm kết hợp triều cao, diện tích ngập tăng lên khoảng 35%, với độ sâu ngập tại các điểm trọng yếu có thể lên tới 0,6 m. Điều này cho thấy hệ thống thoát nước hiện tại chưa đáp ứng được yêu cầu trong điều kiện biến đổi khí hậu và mực nước biển dâng.

  4. Ảnh hưởng của kỹ thuật sinh thái: Áp dụng các giải pháp kỹ thuật sinh thái như bề mặt thấm, hồ điều tiết và ô trữ nước sinh học trong mô hình Mike Urban giúp giảm lưu lượng chảy tràn trên lưu vực từ 15% đến 25%, đồng thời giảm diện tích và độ sâu ngập tại các điểm ngập trọng yếu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến ngập lụt tại lưu vực Nam Nhiêu Lộc là sự kết hợp của mưa lớn cục bộ, triều cường tăng cao và hệ thống thoát nước chưa đủ năng lực. Kết quả mô hình cho thấy các tuyến đường trung tâm như Mai Thị Lựu và 3 Tháng 2 thường xuyên bị ngập sâu trên 0,4 m trong các trận mưa lớn, phù hợp với báo cáo thực tế từ Trung tâm chống ngập TP.HCM.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, việc sử dụng mô hình Mike Flood cho phép mô phỏng đồng thời dòng chảy trong hệ thống cống và dòng chảy tràn trên bề mặt, giúp đánh giá toàn diện hơn so với các mô hình thủy văn hoặc thủy lực đơn lẻ. Kết quả cũng tương đồng với các nghiên cứu tại các đô thị lớn như Bangkok hay Manila, nơi ngập lụt do tổ hợp mưa lớn và triều cường gây ra thiệt hại nghiêm trọng.

Việc áp dụng kỹ thuật sinh thái trong mô hình cho thấy tiềm năng giảm ngập hiệu quả, đồng thời góp phần cải thiện môi trường đô thị. Tuy nhiên, để đạt hiệu quả bền vững, cần kết hợp các giải pháp kỹ thuật với quản lý đô thị và nâng cấp hạ tầng thoát nước.

Dữ liệu kết quả có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh diện tích ngập, độ sâu ngập tại các tuyến đường theo từng kịch bản, cũng như bản đồ phân vùng ngập lụt chi tiết trong lưu vực Nam Nhiêu Lộc.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cấp hệ thống thoát nước hiện hữu: Tăng cường năng lực thoát nước bằng cách mở rộng và cải tạo các tuyến cống chính, đặc biệt tại các điểm ngập trọng yếu như đường Mai Thị Lựu, 3 Tháng 2 và Tô Hiến Thành. Mục tiêu giảm diện tích ngập ít nhất 20% trong vòng 3 năm, do Sở Xây dựng và Công ty Thoát nước TP.HCM thực hiện.

  2. Áp dụng kỹ thuật sinh thái trong quy hoạch đô thị: Thiết lập các bề mặt thấm, hồ điều tiết và ô trữ nước sinh học nhằm giảm lưu lượng chảy tràn và cải thiện khả năng thấm nước mặt. Mục tiêu giảm lưu lượng chảy tràn từ 15-25% trong 5 năm, phối hợp giữa Sở Tài nguyên Môi trường và các đơn vị quy hoạch đô thị.

  3. Xây dựng hệ thống cảnh báo và dự báo ngập lụt tự động: Ứng dụng công nghệ mô hình hóa Mike Flood kết hợp trí tuệ nhân tạo để phát triển hệ thống cảnh báo sớm ngập lụt, giúp nâng cao khả năng ứng phó kịp thời. Mục tiêu triển khai thử nghiệm trong 2 năm, do Trung tâm Quản lý Hạ tầng Kỹ thuật TP.HCM chủ trì.

  4. Tăng cường công tác duy tu, bảo trì hệ thống thoát nước: Thường xuyên kiểm tra, nạo vét, sửa chữa các tuyến cống và hố ga để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả, giảm thiểu tắc nghẽn gây ngập. Mục tiêu duy trì hệ thống hoạt động ổn định, giảm thiểu ngập cục bộ kéo dài trên 10 giờ, do Công ty Thoát nước TP.HCM thực hiện hàng năm.

  5. Nâng cao nhận thức cộng đồng và quản lý đô thị: Tổ chức các chương trình tuyên truyền về tác động của ngập lụt và vai trò của cộng đồng trong việc giữ gìn hệ thống thoát nước, đồng thời xây dựng chính sách quản lý đất đai phù hợp để hạn chế phát triển ở vùng trũng thấp. Mục tiêu nâng cao nhận thức cho 80% cư dân trong lưu vực trong 3 năm, do UBND các quận phối hợp với các tổ chức xã hội thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý đô thị và quy hoạch: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và công cụ mô hình hóa để đánh giá và quản lý ngập lụt, hỗ trợ ra quyết định trong quy hoạch phát triển hạ tầng thoát nước và đô thị.

  2. Chuyên gia kỹ thuật cấp thoát nước và thủy văn: Tài liệu chi tiết về thiết lập, hiệu chỉnh và ứng dụng mô hình Mike Flood giúp nâng cao năng lực chuyên môn trong lĩnh vực mô phỏng và quản lý ngập lụt đô thị.

  3. Các nhà nghiên cứu và học viên ngành kỹ thuật môi trường, tài nguyên nước: Luận văn là nguồn tham khảo quý giá về phương pháp nghiên cứu, mô hình hóa và phân tích dữ liệu ngập lụt trong điều kiện biến đổi khí hậu.

  4. Cơ quan quản lý thiên tai và phòng chống ngập lụt: Kết quả nghiên cứu hỗ trợ xây dựng các kịch bản dự báo, cảnh báo ngập lụt, từ đó nâng cao hiệu quả công tác phòng chống và giảm thiểu thiệt hại do ngập gây ra.

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 dòng chảy 1 chiều trong hệ thống cống (Mike Urban) và mô hình dòng chảy 2 chiều trên bề mặt (Mike 21), cho phép mô phỏng đồng thời quá trình thoát nước trong hệ thống và ngập lụt trên mặt đất, giúp đánh giá toàn diện hơn tình trạng ngập lụt đô thị.

  2. Dữ liệu đầu vào quan trọng nhất để thiết lập mô hình là gì?
    Dữ liệu mưa, triều, địa hình số (DEM), hệ thống thoát nước và số liệu thực đo mực nước, ngập lụt là các dữ liệu quan trọng để mô hình hóa chính xác tình trạng ngập lụt.

  3. Mô hình có thể dự báo ngập lụt trong tương lai không?
    Có, mô hình có thể áp dụng các kịch bản mưa và triều thiết kế trong tương lai, bao gồm tác động của biến đổi khí hậu, để dự báo và đánh giá nguy cơ ngập lụt.

  4. Giải pháp kỹ thuật sinh thái có hiệu quả như thế nào?
    Kỹ thuật sinh thái như bề mặt thấm và hồ điều tiết giúp giảm lưu lượng chảy tràn từ 15-25%, giảm diện tích và độ sâu ngập, đồng thời cải thiện môi trường đô thị và khả năng thích ứng với biến đổi khí hậu.

  5. Làm thế nào để mô hình được áp dụng vào quản lý thực tế?
    Kết quả mô hình có thể được tích hợp vào hệ thống cảnh báo sớm, hỗ trợ ra quyết định nâng cấp hạ tầng, quy hoạch đô thị và xây dựng các kế hoạch phòng chống ngập lụt hiệu quả.

Kết luận

  • Đã thiết lập thành công mô hình Mike Flood cho lưu vực Nam Nhiêu Lộc, mô phỏng chính xác tình trạng ngập lụt do mưa và triều cường.
  • Xác định được các điểm ngập trọng yếu với độ sâu ngập từ 0,15 đến 0,55 m trong các trận mưa lớn thực tế.
  • Kịch bản thiết kế cho thấy hệ thống thoát nước hiện tại chưa đáp ứng được yêu cầu trong điều kiện biến đổi khí hậu và mực nước biển dâng.
  • Áp dụng kỹ thuật sinh thái giúp giảm lưu lượng chảy tràn và diện tích ngập, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý ngập lụt.
  • Đề xuất các giải pháp nâng cấp hạ tầng, áp dụng kỹ thuật sinh thái, xây dựng hệ thống cảnh báo và tăng cường duy tu bảo trì nhằm giảm thiểu ngập lụt bền vững.

Next steps: Triển khai các giải pháp đề xuất, mở rộng mô hình cho các lưu vực khác tại TP.HCM và phát triển hệ thống cảnh báo ngập lụt tự động.

Call-to-action: Các nhà quản lý, chuyên gia và nhà nghiên cứu được khuyến khích ứng dụng mô hình Mike Flood trong công tác quy hoạch và quản lý ngập lụt đô thị nhằm nâng cao hiệu quả phòng chống ngập tại TP.HCM và các đô thị lớn khác.