CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Sơ lược về các phương pháp tiếp cận nghiên cứu thoát nước đô thị 1.1 Trên thế giới Hiện nay dân số thế giới sống trong các thành phố lớn ngày càng tăng nhanh. Đáp ứng nhu cầu đó, diện tích đất đô thị cũng ngày càng gia tăng, trong khi đó cơ sở hạ tầng về cấp thoát nước cho đô thị không đáp ứng kịp thời. Hiện nay trên thế giới nhiều thành phố lớn vẫn đang bị úng ngập và lũ lụt đe dọa. Các chuyên gia về quy hoạch và thoát nước đô thị trên thế giới đã từ hơn 30 năm nhận ra rằng cách tốt nhất để đương đầu với ngập lụt trong đô thị không phải là xây thêm trạm bơm, đắp thêm đê hay lắp đặt thêm cống mà chúng ta cần thêm không gian cho nước.
Đó là giải pháp bền vững hơn khi không làm biến đổi dòng chảy đột ngột như xây đập, đắp đê hay tôn nền công trình. Gia tăng không gian cho mặt nước và cây xanh tự nhiên không chỉ làm giảm nguy cơ ngập lụt mà còn tạo cảnh quan cho đô thị. Gần đây Ngân hàng thế giới đã nghiên cứu và đưa ra cuốn cẩm nang “Hướng dẫn quản lý tổng hợp rủi ro ngập lụt đô thị trong thế kỷ 21”. Theo cẩm nang này, giải pháp hiệu quả nhất để quản lý nguy cơ lũ lụt là áp dụng phương pháp tiếp cận tổng hợp, trong đó kết hợp cả hai biện pháp cấu trúc và phi cấu trúc, bao gồm xây dựng hệ thống kênh thoát nước và dẫnlũ; kết hợp “đô thị xanh” như đất ngập nước và vùng đệm môi trường; xây dựng hệ thống cảnh báo lũ lụt; quy hoạch sử dụng đất để chống ngập lụt.
Đại học Quốc gia Singapore (NUS) với ý tưởng nghiên cứu: áp dụng các bề mặt thẩm thấu cho những con đường nhỏ và vỉa hè nhằm ngăn chặn tình trạng lũ lụt cục bộ tại đô thị bằng cách làm chậm lại dòng nước đổ vào cống rãnh sau mưa lớn.Những bề mặt thẩm thấu có một lớp bêtông rỗ và một lớp sỏi. Khoảng 30-40% khoảng trống giữa lớp bê tông và sỏi này được dùng để tích nước, sau đó nước sẽ chảy qua một lớp vải thẩm thấu trước khi được xả qua những đường nhỏ đổ vào cống. Toàn bộ quá trình này có thể giúp trữ số nước mưa đổ xuống trong vài giờ. 4 Ngoài việc áp dụng những ý tưởng nghiên cứu trên thế giới chúng ta cũng nên đi sâu tìm hiểu kinh nghiệm đối phó với ngập lụt ở các thành phố lớn trên thế giới từ đây đúc rút ra được ý tưởng nghiên cứu phù hợp với đô thị ở Việt Nam như : Ở Nhật Bản để phòng chống lụt lội, Nhật Bản đã xây dựng hệ thống cống ngầm dẫn nước lũ lớn nhất thế giới ở thành phố Saitama, gần Tokyo, vào năm 1992.
Theo Weird Asia News, công trình bao gồm 5 giếng đứng bê tông lớn, cao 65 m, rộng 32 m, nối liền với nhau bằng hệ thống đường hầm dài 6,4 km, nằm sâu 50 m tính từ mặt đất. Các kiến trúc sư cũng xây 59 cột bê tông cốt thép giúp chống đỡ trọng lượng trần nhà. Nước lũ được hút vào các giếng và xả ra sông Eldo. Ở Anh thủ đô London rất dễ ngập lụt, đặc biệt khi những cơn bão mạnh khiến nước sông Thames dâng cao.
Tuy nhiên, người dân London có thể yên tâm nhờ công trình đê chắn nước trên sông Thames mang tên Thames Barrier, bắt đầu đi vào hoạt động từ năm 1982. Skift đưa tin, công trình dài nửa kilomet, bao gồm 10 cổng thép cao bằng tòa nhà 5 tầng. Theo Cơ quan Môi trường Anh, hệ thống ngăn lũ này sẽ tồn tại đến năm 2070. Ở Hà Lan theo The Guardian, Hà Lan được coi là một trong những quốc gia đi đầu về lĩnh vực phòng ngừa lũ lụt.
Không chỉ tạo ra những con kênh chằng chịt để dẫn nước, chính phủ Hà Lan còn xây dựng hệ thống rào chắn ngăn lũ Maeslantkering, bao gồm các đập nước di động vừa giúp ngăn lũ hiệu quả vừa không gây cản trở giao thông đường thủy. Hay ở quốc gia thuộc khu vực Đông Nam Á là Campuchia sau trận lũ lịch sử vào tháng 11/2011 khiến nhiều khu vực ở tỉnh Siem Reap bị ngập lụt nặng nề. Dưới sự chỉ đạo của Bộ Tài nguyên nước và Khí tượng Campuchia, chính quyền tỉnh đã xây dựng một đập nước ở đền thờ Ta Soum để ngăn lụt lội. Đồng thời, người dân địa phương cũng được hướng dẫn xây móng nhà cao hơn, làm lại đường làng và dựng những con đập nhỏ.Sau này, dù phải hứng chịu nhiều đợt mưa lớn và liên tục, Siem Reap không còn bị ngập lụt, do nước mưa có thể thoát nhanh vào hồ Tonle Sap ở gần đó.
Trên là một số giải pháp và kinh nghiệm thoát nước đang được nghiên cứu và triển khai trên thế giới, tất cả đều hướng đến việc xây dựng giải pháp thoát nước bền vững(SUDS). Việc áp dụng các giải pháp thoát nước được xây dựng dựa trên mô hình, cụ thể mô hình mô phỏng thoát nước đô thị. Hiện trên thế giới, nghiên cứu 5 thoát nước đô thị đã có nhiều thành tựu và được phân theo các hướng như bán kinh nghiệm, thực nghiệm, mô hình.v Các mô hình mô phỏng thoát nước được đặt cơ sở trên việc sơ đồ hóa một hay nhiều chiều. Đây là những mô hình thủy lực, thủy văn động lực học mô phỏng mưa dòng chảy, dự báo lũ, tối ưu hóa hệ thống thoát nước.
Mô phỏng thường được thực hiện trên cơ sởcủa chuyển động nước và bùn, phát tán và các quá trình hóa học. Trong lĩnh vực mô hình hóa, ngay từnhững năm 1930, các nhà khoa học đã cố gắng tìm hiểu mối quan hệ giữa yếu tố vật chất trong quá trình chuyển động đã thành công với những nghiên cứu của Bagnold, (1936, 1937) và sau đó được phát triển bởi Einstein (1950). Một trong những công trình nghiên cứu đầu tiên liên quan đến mô hình vận chuyển vật chất trong chất lỏng được Eistein và Chien xây dựng năm 1955. Nhiều mô hình thương mại mô phỏng thoát nước trên cơ sở kết hợp giữa mô hình thủy độnglực và mô hình vận chuyển và khuếch tán vật chất đã được xây dựng.
Các mô hình thoát nước hiện nay thường dùng bao gồm: Sobek, Mike Urban,Stormnet,SWMM .2 Ở Việt Nam Nước ta nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa ẩm ướt với lượng mưa trung bình 1000 - 2000 mm/năm. Lượng mưa tập trung hầu hết vào các tháng mùa mưa với cường độ mưa lớn và có sự biến động mạng theo không gian, nguyên nhân gây ra là do bão, áp thấp nhiệt đới, dông… Cũng như các đô thị khác trên thế giới, các đô thị ở Việt Nam phát triển mạnh, dân số tăng nhanh; đặc biệt là sau ngày đất nước thống nhất. Nhu cầu về nhà ở của các thành phố đã trở thành vấn đề lớn của xã hội. Sự cơi nới, mở rộng tự phát, lấn chiếm đất đai, các hệ thống dẫn nước có nhiều đoạn bị thu hẹp, hồ ao bị san lấp.
Bên cạnh đó, hệ thống tiêu thoát nước đã được xây dựng từ lâu, nhiều đoạn không còn giá trị sử dụng, quản lý vận hành yếu, thiếu kinh phí tu bổ… làm cho hiện tượng úng ngập thường xuyên xảy ra khi mùa mưa đến. 6 Với nhiều thành tựu của công cuộc đổi mới, mạng lưới các đô thị của Việt Nam đang ngày càng được phát triển mở rộng và thực sự trở thành động lực chính thúcđẩy phát triển kinh tế. Cũng như các đô thị khác trên thế giới, sự phát triển đô thị tại Việt Nam cũng đang bộc lộ nhiều hạn chế và yếu kém về hạ tầng kỹ thuật và ô nhiễm môi trường. Nhiều công trình hạ tầng kỹ thuật nói chung đang ở tình trạng xuống cấp, việc đầu tư xây dựng mới còn chậm và chưa đáp ứng nhu cầu.
Hệ thống thoát nước của các đô thị tại Việt Nam thường chung cho tất cả các loại nước thải, nước mưa, hệ thống này hầu hết được xây dựng qua nhiều thời kỳ khác nhau, chất lượng quy hoạch còn chưa cao, chưa hoàn chỉnh, thiếu đồng bộ trong đó có nhiều tuyến cống xuống cấp nên khả năng tiêu thoát nước thấp. Nước thải hầu như chưa được xử lý xả thẳng vào nguồn tiếp nhận. Trong những năm gần đây đặc biệt là các đô thị lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Cần Thơ… người dân luôn phải đối mặt với tình trạng úng ngập khi gặp những trận mưa lớn, hoặc nước thuỷ triều dâng. Ở Việt Nam, đến nay đã có một số nghiên cứu tính toán cho thoát nước đô thị sử dụng các mô hình mô phỏng thoát nước như: - Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu cải tạo và mở rộng hệ thống thoát nước thành phố Hội An đến năm 2020” của tác giả Huỳnh Viết Bi - Kiểm tra kết quả tính toán thoát nước mưa bằng mô hình thủy lực SWMM.
- Luận văn “Nghiên cứu cải tạo quy hoạch hệ thống thoát nước khu dân cư khuê trung, thành phố Đà Nẵng” của tác giả Nguyễn Thiện - Tính toán dòng chảy trong đô thị, môhình quản lý nước mưa bằng SWMM - Đồ án “Quy hoạch khu dân cư Phước Mỹ Trung đến năm 2020” có áp dụng mô hình kết hợp mô hình Autocad civil 3D - Stormnet để thiết kế tính toán và quản lý mạng lưới thoát nước mưa. - Hay việc sử dụng mô hình SOBEKđã được ứng dụng trong các nghiên cứu thuộc các lưu vực sông ở Hà Lan, Bangladet, Australia… và mới đây (năm 2003) SOBEK đã được áp dụng cho hai khu vực Trà Bồng và Trà Khúc (thuộc tỉnh Quảng Ngãi).2 Giới thiệu một số mô hình mô phỏng thoát nước đô thị 1.1 Mô hình SWMM Mô hình quản lý nước mặt SWMM của Epa là mô hình động lực học dòng chảy mặt do nước mưa tạo nên, dùng để mô phỏng dòng chảy một thời đoạn hoặc dòng chảy nhiều thời đoạn (thời gian dài) cả về lượng và chất. SWMM chủ yếu được dùng cho các đô thị.Thành phần Runoffcủa SWMM đề cập đến một tổ hợp các tiểu lưu vực nhận lượng mưa (kể cả tuyết), tạo thành dòng chảy và vận chuyển chất ô nhiễm. Phần mô phỏng dòng chảy tuyến của SWMM đề cập đến sự vận chuyển dòng chảy nước mặt qua một hệ thống các ống, các kênh, các công trình trữ hoặc điều tiết nước, các máy bơm và các công trình điều chỉnh nước.SWMM xem xét khối lượng và chất lượng của nước trong mỗi đường ống và kênh dẫn trong suốt thời gian mô phỏng bao gồm nhiều bước thời gian.