Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng và biến đổi khí hậu ngày càng rõ nét, tình trạng ngập lụt tại Thành phố Hồ Chí Minh trở nên nghiêm trọng hơn bao giờ hết. Theo thống kê, từ năm 1962 đến 2001, thành phố ghi nhận 9 trận mưa trên 100mm, nhưng từ năm 2002 đến nay, con số này đã tăng lên 29 trận, riêng giai đoạn 2011-2014 đã xảy ra 579 trận mưa với 12 trận có lượng mưa trên 100mm. Mực nước triều cũng có xu hướng tăng, đặc biệt tại trạm Phú An, mực nước triều thường xuyên vượt mức báo động III trong giai đoạn 2011-2014, với đỉnh triều cao nhất đạt 1,68m. Những tổ hợp bất lợi giữa mưa lớn và triều cường đã làm gia tăng nguy cơ ngập lụt trên diện rộng.

Lưu vực Nhiêu Lộc – Thị Nghè, với diện tích khoảng 33,2 km² và dân số trên 1,2 triệu người, là khu vực nội thành trọng điểm chịu ảnh hưởng nặng nề bởi ngập lụt. Hệ thống thoát nước hiện hữu tại đây đã xuống cấp, không đồng bộ và thường xuyên bị quá tải khi xảy ra mưa cực trị. Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng mô hình thủy lực Telemac2D để mô phỏng và đánh giá khả năng thoát nước của hệ thống thoát nước trên lưu vực này dưới các kịch bản mưa cực đoan khác nhau. Qua đó, luận văn hướng tới việc đánh giá mức độ ngập lụt, đề xuất các giải pháp điều tiết thoát nước phù hợp nhằm giảm thiểu thiệt hại do ngập gây ra.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào lưu vực Nhiêu Lộc – Thị Nghè, thuộc khu vực nội thành TP. Hồ Chí Minh, với dữ liệu khí tượng thủy văn từ trạm Tân Sơn Nhất và các số liệu địa hình, thủy lực thu thập trong giai đoạn gần đây. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp công cụ mô phỏng chính xác, hỗ trợ công tác quy hoạch, quản lý và vận hành hệ thống thoát nước đô thị, góp phần nâng cao hiệu quả phòng chống ngập lụt trong điều kiện biến đổi khí hậu và đô thị hóa nhanh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết thủy lực dòng chảy mặt hai chiều và mô hình toán số trong mô phỏng thủy văn đô thị. Mô hình Telemac2D được sử dụng làm công cụ chính, dựa trên phương trình Saint-Venant hai chiều, cho phép mô phỏng dòng chảy trên bề mặt với độ chính xác cao. Các khái niệm trọng tâm bao gồm:

  • Dòng chảy mặt hai chiều (2D shallow water equations): Mô tả sự phân bố vận tốc và mực nước trên mặt đất, phù hợp với mô hình thoát nước đô thị phức tạp.
  • Hệ số dòng chảy (Runoff coefficient): Tỷ lệ phần trăm lượng mưa chuyển thành dòng chảy bề mặt, ảnh hưởng bởi độ phủ đất và đô thị hóa.
  • Kịch bản mưa cực trị: Các tình huống mưa với lượng và thời gian khác nhau được giả định để đánh giá khả năng thoát nước.
  • Dung tích điều tiết: Khả năng lưu trữ tạm thời nước mưa nhằm giảm áp lực lên hệ thống thoát nước.

Mô hình Telemac2D không chỉ ứng dụng trong thủy lực mà còn được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực tài nguyên nước, môi trường và biến đổi khí hậu, nhờ khả năng mô phỏng linh hoạt và chính xác.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khí tượng thủy văn từ trạm Tân Sơn Nhất (lượng mưa, nhiệt độ, độ ẩm), số liệu địa hình tỷ lệ 1/2000, dữ liệu hệ thống thoát nước hiện hữu và mực nước triều tại trạm Phú An. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ lưu vực Nhiêu Lộc – Thị Nghè với diện tích 33,2 km², bao gồm 7 quận nội thành với dân số khoảng 1,2 triệu người.

Phương pháp chọn mẫu dữ liệu dựa trên tính đại diện và độ tin cậy của các trạm quan trắc khí tượng thủy văn và thủy lực. Phân tích sử dụng mô hình thủy lực Telemac2D để mô phỏng dòng chảy bề mặt và hệ thống thoát nước dưới các kịch bản mưa cực trị khác nhau:

  • Kịch bản 1: Thay đổi lưu lượng mưa (110mm, 150mm, 200mm) trong thời gian 3 giờ.
  • Kịch bản 2: Thay đổi thời gian mưa (2, 3, 4, 6 giờ) với lượng mưa 150mm.
  • Kịch bản 3: Mưa 150mm trong 3 giờ kết hợp phân tích thiết kế hồ điều tiết.

Phương pháp phân tích bao gồm mô phỏng thủy lực, đánh giá độ sâu ngập, thời gian ngập và vận tốc dòng chảy tại các tuyến đường trọng điểm trong lưu vực. Timeline nghiên cứu kéo dài trong vòng 12 tháng, từ thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng đến phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng thoát nước bị quá tải khi mưa lớn: Mô phỏng cho thấy với lượng mưa 150mm trong 3 giờ, hệ thống thoát nước tại lưu vực Nhiêu Lộc – Thị Nghè bị quá tải, gây ngập sâu trên nhiều tuyến đường chính như D2, Bạch Đằng, Nguyễn Kiệm và Phan Đăng Lưu. Độ sâu ngập tại các điểm này dao động từ 0,3m đến 0,6m, kéo dài từ 2 đến 4 giờ sau khi kết thúc mưa.

  2. Ảnh hưởng của thời gian mưa đến mức độ ngập: Khi thời gian mưa kéo dài từ 2 đến 6 giờ với lượng mưa 150mm, độ sâu ngập và diện tích ngập tăng lên đáng kể. Cụ thể, thời gian mưa 6 giờ làm tăng diện tích ngập lên khoảng 25% so với kịch bản 2 giờ, đồng thời kéo dài thời gian ngập trung bình thêm 1,5 giờ.

  3. Hiệu quả của hồ điều tiết: Việc bổ sung hồ điều tiết trong lưu vực giúp giảm độ sâu ngập trung bình khoảng 15-20% và giảm vận tốc dòng chảy tại các điểm ngập trọng yếu. Mô phỏng so sánh cho thấy hồ điều tiết làm giảm thời gian ngập tại khu vực Ngã tư Hàng Xanh từ 4 giờ xuống còn 3 giờ.

  4. Tác động của biến đổi khí hậu và đô thị hóa: Số liệu thống kê cho thấy tần suất mưa lớn và mực nước triều cao ngày càng tăng, làm gia tăng áp lực lên hệ thống thoát nước hiện hữu vốn đã xuống cấp và không đồng bộ. Điều này dẫn đến nguy cơ xuất hiện thêm nhiều điểm ngập mới và tái ngập các điểm cũ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của tình trạng ngập lụt là do hệ thống thoát nước hiện tại không đáp ứng được lưu lượng dòng chảy tăng cao trong các trận mưa cực đoan, kết hợp với mực nước triều dâng cao làm giảm khả năng thoát nước ra sông Sài Gòn. Kết quả mô phỏng phù hợp với các báo cáo thực tế về ngập lụt tại các tuyến đường trọng điểm trong lưu vực.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, việc ứng dụng mô hình Telemac2D cho phép mô phỏng chi tiết hơn về dòng chảy bề mặt và tương tác với hệ thống cống ngầm, từ đó đưa ra các kịch bản dự báo chính xác hơn. Việc bổ sung hồ điều tiết được xác nhận là giải pháp mềm dẻo, hiệu quả trong việc giảm thiểu ngập lụt, phù hợp với điều kiện đô thị hóa nhanh và hạn chế về mở rộng hệ thống cống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ độ sâu ngập theo thời gian, bản đồ phân bố diện tích ngập và biểu đồ so sánh vận tốc dòng chảy tại các điểm ngập trọng yếu, giúp trực quan hóa mức độ ảnh hưởng của các kịch bản mưa và giải pháp điều tiết.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng và mở rộng hồ điều tiết: Tăng dung tích điều tiết nước mưa tại các khu vực trọng điểm nhằm giảm áp lực lên hệ thống thoát nước, hướng tới giảm độ sâu ngập ít nhất 15% trong vòng 5 năm tới. Chủ thể thực hiện: Sở Xây dựng phối hợp với Sở Tài nguyên và Môi trường.

  2. Nâng cấp, cải tạo hệ thống cống thoát nước: Thay thế các tuyến cống xuống cấp, mở rộng tiết diện cống tại các điểm ngập thường xuyên, ưu tiên các tuyến cấp 2 và cấp 3 trong lưu vực. Mục tiêu giảm thời gian ngập trung bình xuống dưới 2 giờ trong 3 năm tới. Chủ thể thực hiện: Công ty TNHH Một Thành Viên Thoát nước đô thị TP.HCM.

  3. Ứng dụng mô hình mô phỏng trong quy hoạch: Sử dụng mô hình Telemac2D để đánh giá các phương án quy hoạch thoát nước mới, đảm bảo tính khả thi và hiệu quả trước khi triển khai thực tế. Thời gian áp dụng liên tục trong các dự án quy hoạch. Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu và đơn vị tư vấn.

  4. Tăng cường công tác quản lý và tuyên truyền: Nâng cao nhận thức cộng đồng về bảo vệ hệ thống thoát nước, hạn chế xả rác, lấn chiếm kênh rạch và miệng thu nước. Mục tiêu giảm thiểu tắc nghẽn cống và ô nhiễm môi trường trong 2 năm tới. Chủ thể thực hiện: UBND các quận, phường phối hợp với các tổ chức xã hội.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý đô thị và quy hoạch: Luận văn cung cấp dữ liệu và mô hình mô phỏng giúp đánh giá hiệu quả các giải pháp thoát nước, hỗ trợ ra quyết định trong quy hoạch phát triển hạ tầng đô thị.

  2. Các kỹ sư và chuyên gia thủy lợi, thủy văn: Cung cấp phương pháp ứng dụng mô hình Telemac2D trong phân tích dòng chảy đô thị, từ đó thiết kế và cải tạo hệ thống thoát nước phù hợp.

  3. Các nhà nghiên cứu về biến đổi khí hậu và môi trường: Tài liệu phân tích tác động của biến đổi khí hậu đến ngập lụt đô thị, góp phần xây dựng các chiến lược ứng phó hiệu quả.

  4. Cộng đồng dân cư và tổ chức xã hội: Giúp hiểu rõ nguyên nhân và giải pháp giảm ngập, từ đó nâng cao ý thức bảo vệ hệ thống thoát nước và tham gia các hoạt động cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình Telemac2D là gì và tại sao được chọn?
    Telemac2D là mô hình thủy lực số mô phỏng dòng chảy mặt hai chiều, phù hợp với địa hình phức tạp và hệ thống thoát nước đô thị. Nó được chọn vì độ chính xác cao, khả năng mô phỏng linh hoạt và miễn phí nguồn mở, giúp đánh giá hiệu quả các kịch bản mưa và giải pháp thoát nước.

  2. Lưu vực Nhiêu Lộc – Thị Nghè có đặc điểm gì nổi bật?
    Lưu vực có diện tích 33,2 km², dân số khoảng 1,2 triệu người, nằm trong khu vực nội thành TP.HCM với địa hình thấp, chịu ảnh hưởng mạnh của triều cường và mưa lớn. Hệ thống thoát nước hiện hữu đã xuống cấp và thường xuyên bị quá tải.

  3. Các kịch bản mưa được mô phỏng như thế nào?
    Ba kịch bản chính gồm thay đổi lưu lượng mưa (110-200mm trong 3 giờ), thay đổi thời gian mưa (2-6 giờ với 150mm), và kịch bản kết hợp mưa 150mm trong 3 giờ với phân tích hồ điều tiết. Các kịch bản này giúp đánh giá khả năng thoát nước và mức độ ngập lụt.

  4. Hồ điều tiết có tác dụng gì trong giảm ngập?
    Hồ điều tiết giúp lưu trữ tạm thời nước mưa, giảm lưu lượng đột ngột đổ vào hệ thống thoát nước, từ đó giảm độ sâu và thời gian ngập tại các điểm trọng yếu. Mô phỏng cho thấy hồ điều tiết có thể giảm độ sâu ngập khoảng 15-20%.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
    Kết quả mô phỏng và đề xuất giải pháp có thể được sử dụng trong quy hoạch nâng cấp hệ thống thoát nước, thiết kế hồ điều tiết, và xây dựng các chính sách quản lý đô thị. Đồng thời, tăng cường tuyên truyền và nâng cao nhận thức cộng đồng cũng là bước quan trọng để thực hiện hiệu quả.

Kết luận

  • Tình trạng ngập lụt tại lưu vực Nhiêu Lộc – Thị Nghè ngày càng nghiêm trọng do hệ thống thoát nước hiện hữu bị quá tải khi mưa cực trị kết hợp triều cường.
  • Mô hình thủy lực Telemac2D là công cụ hiệu quả để mô phỏng dòng chảy và đánh giá khả năng thoát nước trong điều kiện thực tế phức tạp.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy việc bổ sung hồ điều tiết và nâng cấp hệ thống cống thoát nước có thể giảm đáng kể độ sâu và thời gian ngập.
  • Biến đổi khí hậu và đô thị hóa nhanh làm gia tăng áp lực lên hệ thống thoát nước, đòi hỏi các giải pháp mềm dẻo và đồng bộ trong quy hoạch và quản lý.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai các giải pháp điều tiết, nâng cấp hạ tầng, đồng thời áp dụng mô hình trong quy hoạch và tăng cường công tác quản lý, tuyên truyền cộng đồng nhằm giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt.

Hành động ngay hôm nay để bảo vệ môi trường đô thị và nâng cao chất lượng cuộc sống cho người dân TP. Hồ Chí Minh!