Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực Nhiêu Lộc – Thị Nghè (NL – TN) thuộc TP. Hồ Chí Minh có diện tích khoảng 33,2 km², với mật độ dân số trên 1,2 triệu người, là khu vực đô thị hóa cao và thường xuyên chịu ảnh hưởng ngập úng nghiêm trọng. Tình trạng ngập lụt tại đây diễn ra do nhiều nguyên nhân như mưa lớn, triều cường, biến đổi khí hậu và sự phát triển đô thị không đồng bộ. Mực nước đỉnh triều hàng năm đã tăng từ 1,32 m lên trên 1,7 m, trong khi lượng mưa ngày lớn nhất có xu hướng tăng khoảng 1% mỗi năm. Hệ thống thoát nước hiện tại không đáp ứng được nhu cầu, dẫn đến ngập úng tái diễn, ảnh hưởng tiêu cực đến kinh tế, xã hội và môi trường.

Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng mô hình thủy văn đô thị Mike Urban để đánh giá hiện trạng hệ thống thoát nước và xây dựng các kịch bản thiết kế bền vững theo phương pháp Low Impact Development (LID) nhằm giảm thiểu ngập úng cho lưu vực NL – TN. Nghiên cứu tập trung vào thu thập số liệu thực tế, thiết lập, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình, đồng thời đề xuất các giải pháp thoát nước bền vững phù hợp với điều kiện biến đổi khí hậu và phát triển đô thị tại TP. HCM. Phạm vi nghiên cứu bao gồm toàn bộ lưu vực NL – TN với dữ liệu khí tượng thủy văn giai đoạn 1992–2021, địa hình, mạng lưới thoát nước và các trận mưa thực tế.

Việc nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quy hoạch, quản lý và vận hành hệ thống thoát nước đô thị, góp phần nâng cao khả năng chống chịu với ngập úng, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững đô thị TP. HCM.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: mô hình thủy văn và mô hình thủy lực kết hợp trong Mike Urban. Mô hình thủy văn mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy dựa trên các đặc điểm lưu vực, sử dụng phương pháp khái niệm với các thông số thực nghiệm được hiệu chỉnh từ số liệu thực đo. Mô hình thủy lực mô phỏng dòng chảy trong hệ thống cống rãnh theo phương trình Saint-Venant, bao gồm dòng chảy 1 chiều trong mạng lưới thoát nước và dòng chảy bề mặt 2 chiều mô phỏng thủy động lực học trên địa hình đô thị.

Ba khái niệm chính được sử dụng gồm:

  • Low Impact Development (LID): giải pháp thiết kế bền vững nhằm giảm thiểu dòng chảy bề mặt, tăng thấm nước và giảm ngập úng.
  • Mô hình Mike Urban: công cụ mô phỏng tích hợp thủy văn – thủy lực, tương thích GIS, dùng để mô phỏng hệ thống thoát nước đô thị phức tạp.
  • Chu kỳ lặp lại mưa: các kịch bản mưa thiết kế với chu kỳ 5, 10 và 100 năm được sử dụng để đánh giá hiệu quả các giải pháp thoát nước.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu bao gồm số liệu khí tượng thủy văn (mưa, triều, mực nước), dữ liệu địa hình số (DEM), mạng lưới thoát nước hiện trạng, số liệu ngập thực tế và các tài liệu quy hoạch liên quan. Dữ liệu được thu thập từ Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Bộ, các cơ quan quản lý TP. HCM và các dự án cải tạo thoát nước.

Phương pháp phân tích chính là mô hình hóa thủy văn đô thị bằng phần mềm Mike Urban, kết hợp mô hình dòng chảy 1D trong hệ thống cống và mô hình dòng chảy bề mặt 2D trên địa hình chi tiết. Cỡ mẫu mô hình bao gồm toàn bộ lưu vực 33,2 km², chia thành 122 tiểu lưu vực với hơn 100 hố ga và hàng chục km đường ống thoát nước. Phương pháp chọn mẫu dựa trên phân chia lưu vực theo đặc điểm địa hình và mạng lưới thu nước.

Quá trình nghiên cứu gồm các bước: xử lý dữ liệu đầu vào (địa hình, mưa, mạng lưới thoát nước), thiết lập mô hình, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình với các trận mưa thực tế năm 2016 và 2018, xây dựng các kịch bản mưa thiết kế chu kỳ 5, 10, 100 năm, mô phỏng các giải pháp LID và đánh giá hiệu quả. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2022 với các giai đoạn thu thập dữ liệu, mô hình hóa, phân tích và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng ngập úng lưu vực NL – TN: Mô hình hiệu chỉnh cho thấy các vị trí ngập sâu nhất tập trung tại quận Bình Thạnh, đặc biệt trên các tuyến đường Đinh Bộ Lĩnh, Nguyễn Hữu Cảnh và Phan Xích Long với độ sâu ngập thực đo và mô phỏng tương ứng đạt 30–50 cm trong các trận mưa lớn năm 2016 và 2018. Diện tích ngập trong kịch bản mưa chu kỳ 5 năm chiếm khoảng 15% diện tích lưu vực, tăng lên 25% và 40% cho chu kỳ 10 và 100 năm.

  2. Ảnh hưởng của đô thị hóa và biến đổi khí hậu: Tỷ lệ diện tích không thấm nước tăng lên trên 70% làm tăng lưu lượng dòng chảy đỉnh lên 30–40% so với hiện trạng tự nhiên, góp phần làm quá tải hệ thống thoát nước. Mực nước triều dâng trung bình tăng 1 cm/năm, làm giảm khả năng thoát nước ra sông Sài Gòn, đặc biệt trong mùa mưa kết hợp triều cường.

  3. Hiệu quả các giải pháp LID: Mô phỏng các kịch bản LID với tỷ lệ áp dụng 50% và 70% diện tích lưu vực cho thấy giảm được lưu lượng đỉnh dòng chảy từ 20% đến 35%, giảm diện tích ngập từ 10% đến 25% tùy theo chu kỳ mưa. Các giải pháp như hồ chứa nhỏ, mái nhà xanh, mặt phủ thấm nước và bãi cỏ thấm nước được đánh giá có tác động tích cực trong việc kéo dài thời gian tập trung dòng chảy và giảm áp lực lên hệ thống cống.

  4. Kiểm định mô hình: Chỉ số Nash-Sutcliffe đạt trên 0,8 cho các vị trí hiệu chỉnh và kiểm định, chứng tỏ mô hình Mike Urban phù hợp và có độ chính xác cao trong mô phỏng ngập úng đô thị tại lưu vực NL – TN.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của ngập úng là sự kết hợp giữa yếu tố tự nhiên (địa hình thấp, triều cường, mưa lớn) và nhân tạo (đô thị hóa nhanh, hệ thống thoát nước cũ kỹ, không đồng bộ). Kết quả mô hình cho thấy các khu vực có mật độ bê tông hóa cao và thấp trũng là điểm nóng ngập úng. So sánh với các nghiên cứu tương tự tại TP. HCM và các đô thị lớn khác, kết quả phù hợp với xu hướng gia tăng ngập do biến đổi khí hậu và phát triển đô thị.

Việc áp dụng mô hình Mike Urban kết hợp mô hình dòng chảy 1D – 2D giúp mô phỏng chính xác hơn dòng chảy trong hệ thống cống và trên bề mặt, cho phép đánh giá chi tiết các vị trí ngập và hiệu quả các giải pháp. Biểu đồ so sánh diện tích ngập và lưu lượng dòng chảy đỉnh giữa các kịch bản mưa và giải pháp LID minh họa rõ ràng tác động tích cực của thiết kế bền vững.

Kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ vai trò của các giải pháp LID trong việc giảm thiểu ngập úng, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc quy hoạch và quản lý hệ thống thoát nước đô thị trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai các giải pháp LID trên diện rộng: Áp dụng các biện pháp như hồ chứa nhỏ, mái nhà xanh, mặt phủ thấm nước và bãi cỏ thấm nước tại ít nhất 70% diện tích lưu vực trong vòng 5 năm tới nhằm giảm lưu lượng đỉnh dòng chảy và diện tích ngập.

  2. Nâng cấp và đồng bộ hệ thống thoát nước hiện hữu: Tăng cường duy tu, nạo vét và mở rộng các tuyến cống, hố ga tại các điểm ngập trọng yếu, ưu tiên các khu vực có mật độ dân cư cao và thấp trũng, hoàn thành trong 3 năm.

  3. Xây dựng hệ thống cảnh báo và quản lý vận hành tự động: Ứng dụng công nghệ SCADA và mô hình Mike Urban để theo dõi, dự báo và điều hành hệ thống thoát nước theo thời gian thực, giảm thiểu rủi ro ngập úng, triển khai trong 2 năm.

  4. Tăng cường công tác quy hoạch và quản lý đô thị: Kiểm soát chặt chẽ việc san lấp kênh rạch, hạn chế bê tông hóa bề mặt, bảo tồn các vùng đất ngập tự nhiên, đồng thời nâng cao nhận thức cộng đồng về bảo vệ môi trường nước, thực hiện liên tục và lâu dài.

Các chủ thể thực hiện gồm Sở Xây dựng, Sở Tài nguyên và Môi trường, Công ty Thoát nước TP. HCM, các quận liên quan và cộng đồng dân cư. Việc phối hợp chặt chẽ giữa các bên là yếu tố then chốt để đạt hiệu quả bền vững.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà quản lý đô thị và quy hoạch: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, quy hoạch hệ thống thoát nước bền vững, quản lý rủi ro ngập úng và thích ứng biến đổi khí hậu.

  2. Chuyên gia và kỹ sư thủy văn, thủy lực: Tham khảo phương pháp mô hình hóa tích hợp 1D – 2D, hiệu chỉnh mô hình Mike Urban và ứng dụng các giải pháp LID trong thực tiễn.

  3. Các nhà nghiên cứu môi trường và biến đổi khí hậu: Nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu đến ngập úng đô thị, đánh giá hiệu quả các biện pháp giảm thiểu và thích ứng.

  4. Cộng đồng dân cư và tổ chức xã hội: Nâng cao nhận thức về nguyên nhân ngập úng, vai trò của các giải pháp bền vững và tham gia vào công tác bảo vệ môi trường nước đô thị.

Luận văn cung cấp các case study thực tế tại TP. HCM, giúp các nhóm đối tượng trên có thể áp dụng hoặc tham khảo trong các dự án tương tự tại các đô thị khác.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình Mike Urban có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
    Mike Urban tích hợp mô hình thủy văn và thủy lực, mô phỏng dòng chảy 1D trong hệ thống cống và dòng chảy bề mặt 2D, tương thích GIS, cho phép mô phỏng chi tiết và chính xác hệ thống thoát nước đô thị phức tạp. Ví dụ, mô hình đã được kiểm định với chỉ số Nash trên 0,8 tại lưu vực NL – TN.

  2. Giải pháp LID là gì và tại sao nên áp dụng?
    LID là các biện pháp thiết kế bền vững nhằm giảm lưu lượng dòng chảy bề mặt, tăng thấm nước và giảm ngập úng. Áp dụng LID giúp giảm lưu lượng đỉnh từ 20–35% và diện tích ngập từ 10–25%, đồng thời cải thiện chất lượng nước và cảnh quan đô thị.

  3. Nguyên nhân chính gây ngập úng tại lưu vực Nhiêu Lộc – Thị Nghè?
    Nguyên nhân gồm địa hình thấp trũng, mực nước triều dâng, mưa lớn, đô thị hóa nhanh làm tăng diện tích không thấm nước, hệ thống thoát nước cũ kỹ và không đồng bộ, cùng với biến đổi khí hậu làm gia tăng tần suất và cường độ mưa.

  4. Phạm vi áp dụng kết quả nghiên cứu này có giới hạn không?
    Nghiên cứu tập trung vào lưu vực NL – TN tại TP. HCM với dữ liệu thực tế và mô hình hiệu chỉnh kỹ lưỡng, tuy nhiên phương pháp và giải pháp có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các đô thị có điều kiện tương tự, đặc biệt các thành phố ven biển chịu ảnh hưởng triều cường.

  5. Làm thế nào để đảm bảo hiệu quả lâu dài của các giải pháp thoát nước bền vững?
    Cần có sự phối hợp liên ngành trong quy hoạch, đầu tư, vận hành và bảo trì hệ thống, đồng thời nâng cao nhận thức cộng đồng và áp dụng công nghệ quản lý hiện đại như SCADA để giám sát và điều hành hệ thống kịp thời.

Kết luận

  • Ứng dụng mô hình Mike Urban kết hợp mô hình thủy văn – thủy lực 1D – 2D cho phép mô phỏng chính xác hiện trạng ngập úng và đánh giá các giải pháp thoát nước bền vững tại lưu vực NL – TN.
  • Các giải pháp LID như hồ chứa nhỏ, mái nhà xanh và mặt phủ thấm nước có hiệu quả rõ rệt trong việc giảm lưu lượng đỉnh và diện tích ngập, góp phần thích ứng với biến đổi khí hậu.
  • Nguyên nhân ngập úng chủ yếu do sự kết hợp của yếu tố tự nhiên và nhân tạo, trong đó đô thị hóa nhanh và hệ thống thoát nước cũ kỹ là những thách thức lớn.
  • Đề xuất các giải pháp nâng cấp hệ thống thoát nước, áp dụng công nghệ quản lý tự động và tăng cường quy hoạch, quản lý đô thị nhằm giảm thiểu ngập úng hiệu quả.
  • Nghiên cứu tạo nền tảng khoa học cho các bước tiếp theo trong quy hoạch và quản lý thoát nước đô thị, kêu gọi sự phối hợp của các cơ quan quản lý, chuyên gia và cộng đồng dân cư để triển khai các giải pháp bền vững.

Hành động tiếp theo là triển khai các kịch bản LID trong thực tế, đồng thời phát triển hệ thống cảnh báo và quản lý vận hành tự động nhằm nâng cao khả năng chống chịu của đô thị trước ngập úng và biến đổi khí hậu. Các nhà quản lý và chuyên gia được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để cải thiện hệ thống thoát nước đô thị tại TP. HCM và các đô thị tương tự.