Luận án tiến sĩ HUS nghiên cứu cơ sở khoa học mô phỏng hệ thống cân bằng nước mặt trong úng ngập khu vực nội thành hà nội

Nghiên cứu tiến hành trên cả hai phương diện của hệ thống cân bằng nước mặt; cân bằng về lượng - tức nghiên cứu về úng ngập trong mùa mưa bão và cân bằng về chất - tức nghiên cứu về ô nh

_

PHẠM MẠNH CỔN

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC MÔ PHỎNG

HỆ THỐNG CÂN BẰNG NƯỚC MẶT TRONG ÚNG NGẬP

KHU VỰC NỘI THÀNH HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

HÀ NỘI-2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của PGS TS Phạm Quang Hà

và PGS TS Ngu yễ n Mạnh Khải

Các kết quả được viết chung v ới tác giả khác đã đư ợc sự nhất trí của đồng tác giả khi đưa vào lu ận án S ố liệu nêu trong lu ận án là trung thực và kết quả của nghiên cứu chưa từng đư ợc ai công b ố trong bất k ỳ công trình nào khác

Nghiên cứu sinh

Phạm Mạnh Cổn

Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các Thầy hướng dẫn: PGS

TS Phạm Quang Hà và PGS TS Nguyễn Mạnh Khải Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của các Thầy, các Cô, cán bộ và nghiên cứu viên của Khoa Môi trường, Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Phòng Sau Đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội; được làm việc với các Thầy, các Cô, các cán bộ và các nhà khoa học trẻ, là một hạnh duyên đối với nghiên cứu sinh trong sự nghiệp làm khoa học cũng như trong cuộc đời

Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Tạp chí Tia Sáng, Bộ Khoa học và Công nghệ, nơi đã tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh phát triển sự nghiệp nghiên cứu khoa học của mình

Nghiên cứu sinh xin gửi lời tri ân tới mọi thành viên trong gia đình, tới Eltek Việt Nam về những động viên và chia sẻ, về sự thông cảm của bạn bè, người thân vì những khó khăn mà mọi người đã có thể phải gánh vác trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận án

Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến DHI và DHI Việt Nam; sự

hỗ trợ của DHI trong việc cung cấp bản quyền sử dụng bộ công cụ MIKE FLOOD và

sự giúp đỡ của Bà Trần Thị Hồng Hạnh - cán bộ DHI Việt Nam, đóng một vai trò quan trọng trong thành công của nghiên cứu khoa học này

Hà Nội, ngày tháng năm

NCS PHẠM MẠNH CỔN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG………

DANH MỤC CÁC HÌNH ………

MỞ ĐẦU ………

4 5 10 1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA NGHIÊN CỨU ……… 10

2 MỤC TIÊU CỦA NGHIÊN CỨU ……… 12

3 PHẠM VI VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU……… 13

4 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ……… 14

5 Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA NGHIÊN CỨU ……… 14

6 CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN ……… 15

7 LUẬN ĐIỂM BẢO VỆ CỦA NGHIÊN CỨU ……… 16

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ……… 18

1.1 CÂN BẰNG HỆ THỐNG NƯỚC, HỆ THỐNG CÂN BẰNG NƯỚC MẶT NỘI ĐÔ ……… 18

1.1.1 Cân bằng hệ thống nước khu vực đồi Buda Castle Hill ……… 22

1.1.2 Cân bằng hệ thống nước lưu vực Chao Phraya (Bangkok, Thái Lan) … 23

1.1.3 Cân bằng hệ thống nước mặt của nội đô Thành phố Hồ Chí Minh …… 26

1.2 HỆ THỐNG CÂN BẰNG NƯỚC THỦ ĐÔ HÀ NỘI ……… 29

1.2.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên khu vực Hà Nội ……… 29

1.2.2 Tình hình ngập lụt của Thủ Đô Hà Nội ……… 30

1.2.3 Hệ thống cân bằng nước mặt lưu vực Nhuệ-Đáy ……… 32

1.2.4 Hệ thống cân bằng nước mặt nội đô Hà Nội qua các giai đoạn phát triển 35 1.2.5 Mạng lưới tiêu thoát úng ngập của hệ thống cân bằng nước mặt nội đô Hà Nội 40 1.3 TÌNH TRẠNG Ô NHIỄM CỦA LƯU VỰC NHUỆ-ĐÁY VÀ KHU VỰC NỘI ĐÔ - MẤT CÂN BẰNG CHẤT ……… 48

1.3.1 Hiện trạng ô nhiễm nguồn nước sông ……… 48

1.3.2 Hiện trạng ô nhiễm nguồn nước hồ ……… 49

1.3.3 Các thông số ô nhiễm ……… 50

1.4 TỔNG QUAN VỀ CÔNG CỤ MÔ PHỎNG ……… 53

1.4.1 Một số mô hình thông dụng trong tính toán tiêu thoát nước đô thị …… 53

1.4.2 Lựa chọn mô hình mô phỏng ……… 61

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG BỘ CƠ SỞ DỮ LIỆU, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ……… 63

2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU……… 63

2.1.1 Phương pháp nghiên cứu kế thừa từ các tài liệu thứ cấp……… 63

2.1.2 Phương pháp quan trắc, lấy mẫu phân tích ô nhiễm tại một số thủy vực của nội đô……… 64

2.1.3 Phương pháp phân tích, kiểm chứng và phân tích chuyên gia………… 65

2.1.4 Phương pháp khảo sát thực địa……… 66

2.2 XÂY DỰNG BỘ CƠ SỞ DỮ LIỆU MÔ PHỎNG CỦA HỆ THỐNG CÂN BẰNG NƯỚC MẶT NỘI ĐÔ HÀ NỘI……… 68

2.3.1 Mạng tính toán ……… 70

2.3.2 Điều kiện biên tính toán ……… 78

2.4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH 2 CHIỀU TRONG MIKE 21……… 81

2.5 KẾT NỐI MIKE MOUSE VÀ MIKE 21……… 82

2.6 HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH……… 84

2.6.1 Hiệu chỉnh mô hình sử dụng các số liệu trận ngập úng năm 2008……… 84

2.6.2 Kiểm định với trận ngập lụt năm 2013……… 90

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……… 93

3.1 Kết quả đánh giá ô nhiễm môi trường nước mặt nội đô trong úng ngập, mất cân bằng chất, quan hệ giữa MCB lượng và chất………… 93

3.1.1 Các kết quả phân tích ô nhiễm nước mặt……… 93

3.1.2 Tác động của nước mưa và nước thải đô thị đến chất lượng nước sông, hồ khu vực nội thành Hà Nội, đánh giá độ tương đồng……… 96

3.1.3 Quan hệ giữa MCB chất và MCB lượng của hệ thống cân bằng nước mặt nội đô Hà Nội……… 98

3.2 KẾT QUẢ XÂY DỰNG BỘ CƠ SỞ DỮ LIỆU……… 100

3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CÂN BẰNG NƯỚC MẶT NỘI ĐÔ HÀ NỘI TRONG ÚNG NGẬP……… 101

3.3.1 Kết quả mô hình mô phỏng trận ngập úng 31/10/2008-1/11/2008……… 101

3.3.2 Kết quả mô hình mô phỏng trận ngập úng ngày 8/8-9/8/2013………… 110

3.3.3 Các thảo luận về mất cân bằng của hệ thống cân bằng nước mặt nội đô Hà Nội 117

3.3.4 Nguyên nhân úng ngập vùng nội đô Hà Nội……… 123

3.4 GIẢI PHÁP CẢI THIỆN TÌNH TRẠNG NGẬP ÚNG TẠI HỆ THỐNG CÂN BẰNG NƯỚC MẶT NỘI ĐÔ HÀ NỘI……… 126

3.4.1 Kịch bản 29 nút MCB……… 127

3.4.2 Kịch bản 11 nút MCB……… 136

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……… 149

Kết luận……… 149

Kiến nghị……… 150

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ……… 152

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 153

PHỤ LỤC LUẬN ÁN……… 158

DANH MỤC VIẾT TẮT

VHLKH&CN VN Viện Hàn Lâm khoa học & công nghệ Việt Nam

DANH MỤC CÁC BẢNG

6 Bảng 2.1 Các bản đồ đã sử dụng phục vụ tính toán tiêu thoát

7

Bảng 2.2 Mực nước tại thời điểm lấy mẫu phân tích trong mưa, cơn bão số 6, 8-9/8/2013 (mực nước cao và thấp tại sông Tô Lịch-Kim Ngưu, Lừ, Sét và các hồ)

66

14 Bảng 3.1 Kết quả phân tích chất lượng nước hồ và nước sông

15 Bảng 3.2 Kết quả phân tích chất lượng nước hồ và nước sông

148

DANH MỤC CÁC HÌNH

6 Hình 1.5 Biểu đồ tích xả nước tại 2 hồ chứa nước Bhumidol và Sirikit

15

Hình 1.14 Nước ngập trên đường 70, cạnh sông Nhuệ 9/8/2013-ảnh trái;

xả nước ngược trở lại Tô Lịch qua cửa Thanh Liệt, sau bão số 6; 9/8/2013 (ảnh phải)

35

24 Hình 1.23 Một số các hoạt động trong khuôn khổ dự án thoát nước

26 Hình 1.25 Diễn biến chỉ số BOD5 trong nước sông Tô Lịch (màu xanh) và

36 Hình 2.6 Đo chiều rộng bên trong mương ngầm bê tông Phan Kế Bính (đang

40 Hình 2.10 Giao diện nhập các thông số mặt cắt kênh hở trong MIKE

41 Hình 2.11 Cấu trúc cây cơ sở dữ liệu phục vụ tính toán tiêu thoát nước

60 Hình 2.30 Biểu đồ hình cột và đồ thị so sánh giá trị vết lũ thực đo và tính toán 88

62 Hình 2.32 So sánh mức độ tương quan giữa giá trị tính toán và thực đo

90 Hình 3.27 Điểm phát úng tại phố Láng Hạ xuất hiện lúc

111 Hình 3.49 Úng ngập của mạng tiêu thoát hiện tại, mưa xảy ra tương đương

112 Hình 3.50 Úng ngập của mạng tiêu thoát hiện tại, mưa xảy ra tương

117 Hình 3.55 Vị trí 11 nút MCB trong tổng thể hệ thống nước mặt nội đô 139

131 Hình 3.69 Úng ngập nội đô tại thời điểm 1:00 pm (8/8/2013), sau giải

135 Hình 3.73 Ứng dụng giải pháp 11 nút MCB, cải thiện úng ngập tuyến Đội

MỞ ĐẦU

Hà Nội “Ở giữa khu vực trời đất, được thế rồng chầu hổ phục, chính

giữa nam bắc đông tây, tiện nghi núi sông sau trước Mặt đất rộng mà bằng phẳng, thế đất cao mà sáng sủa, dân cư không khổ, thấp tối tăm, muôn vật hết sức tươi tốt phồn thịnh Xem khắp nước Việt, đó là nơi thắng địa, thực là chỗ

tụ hội quan yếu của bốn phương, đúng là nơi thượng đô kinh sư mãi muôn đời” [38]

Với lời lẽ súc tích của “Chiếu dời Đô”, Lý Công Uẩn đã xuất sắc lưu lại cho con cháu muôn đời sau hiểu được những gì mà Ông đã lựa chọn cho một Thủ Đô muôn đời Những điều mộc mạc và tưởng như đơn giản ấy: “rộng mà bằng phẳng”…“cao và sáng sủa”…“dân cư không khổ, thấp tối tăm, muôn vật hết sức tươi tốt phồn thịnh”, v.v chính là sự tổng hợp một cách sinh động của những khảo sát và đánh giá về môi trường Hà Nội tại thời điểm đó; hơn thế nữa, đó còn

là tiêu chí cho môi trường của Thủ Đô hơn một nghìn năm sau

Nằm ở vị trí từ 20°53' đến 21°23' độ vĩ Bắc và 105°44' đến 106°02' độ kinh Đông, được che chắn ở phía Bắc - Đông Bắc bởi dãy Tam Đảo và ở phía Tây bằng dãy núi Ba Vì - Tản Viên, Thủ Đô Hà Nội nằm trong vùng tam giác châu thổ sông Hồng, là một trong những vựa lúa quan trọng nhất trong suốt chiều dài lịch sử của nước Việt từ hàng ngàn năm nay, là trung tâm địa chính trị quan trọng nhất của nước cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam [11]

Đó là Hà Nội, địa linh nhân kiệt, Thủ Đô ngàn đời của non sông đất Việt,

thành phố vì hòa bình (City of Peace) như tổ chức Khoa học Văn hóa và Giáo

dục thế giới (UNESCO) đã vinh danh vào ngày 16/7/1999 [68]

2 Tính cấp thiết của nghiên cứu

Xuyên suốt chiều dài lịch sử phát triển nghìn năm văn hiến, luôn đóng vài trò là trung tâm của các hoạt động giữ nước và dựng nước, Hà Nội đã không chỉ chứng kiến những thời kỳ phát triển thịnh vượng mà còn là chứng tích của nhiều giai đoạn thăng trầm của đất nước

Vào những năm đầu của thế kỷ 21, Hà Nội đã có dân số hơn 6 triệu người, trong đó có hơn 1,5 triệu dân đang sống và làm việc trong khu vực nội thành với mật độ rất cao Trong khi mật độ dân số trung bình của Hà Nội là 1.979 người/km², thì tại một số quận, thí dụ như quận Đống Đa, mật độ dân số lên tới 35.341 người/km² [10, 42] Hơn thế nữa, trong bối cảnh hội nhập và mở cửa hiện nay, sự phát triển của Hà Nội nói chung và việc bùng nổ trong mở rộng nội đô ra các đô thị ngoại vi song hành với quá trình bê tông hóa nội đô Hà Nội nói riêng

đã cho thấy những tiêu chuẩn về một môi trường xanh, sạch đẹp như Lý Công Uẩn đặc tả trong Chiếu dời Đô đã bị vượt quá giới hạn, một trong những biểu hiện đó chính là tình trạng mất cân bằng trầm trọng về môi trường nước của Thủ

Đô

Chỉ từ đầu năm 2008 đến giữa năm 2010, UBND thành phố Hà Nội đã phê duyệt cho 223 dự án nhà cao tầng (từ 9 tầng trở lên) được phép đầu tư Điều này giải thích một phần lý do tăng dân số tại bốn quận nội thành Hà Nội cũ trước năm 1995, từ khoảng 80 vạn người lên tới hơn 1,5 triệu người tại nội thành hiện nay Trong khi đó, các quy hoạch cải tạo, nâng cấp các hệ thống hạ tầng kỹ thuật trong các giai đoạn khác nhau đã không đạt tính kế thừa, do đó không phát huy được hiệu quả đầu tư và đây được coi là những nguyên nhân cơ bản làm cho môi trường nước mặt nội thành xuống cấp, bị ô nhiễm nặng nề [15]

Thực tế đã chỉ ra rằng, dù đã có rất nhiều tiến bộ với các kế hoạch cải tạo mạng lưới tiêu thoát nước ngắn, trung và dài hạn, cho đến thời điểm này, khu vực nội đô của Hà Nội vẫn luôn bị đe dọa bởi úng ngập mỗi khi có bão và mưa về [15] Ngay cả sau dự án thoát nước giai đoạn I với các công trình đầu mối được cải tạo nhằm mục đích thoát úng với lượng mưa 172 mm/2ngày, tình trạng úng ngập của nội đô Hà Nội vẫn có nhiều diễn tiến phức tạp, khó kiểm soát và diễn ra nhiều lần hàng năm [42]

Bên cạnh việc úng ngập chưa được kiểm soát, tình trạng ô nhiễm môi trường nước của nội đô Hà Nội cũng đang là vấn đề nan giải: “Hệ thống thoát nước ở Hà Nội cũ cũng như ở nhiều đô thị khác trong thủ đô Hà Nội, đều là hệ

thống chắp vá giữa khu cũ và khu mới, giữa lạc hậu và hiện đại, chưa có hệ thống thoát nước thải riêng với thoát nước mưa Hiện nay, Hà Nội cũ mới xử lý được khoảng 5% nước thải sinh hoạt, còn lại 95% nước thải sinh hoạt đô thị chỉ được

xử lý sơ bộ rồi đổ thẳng vào sông, hồ, gây ra ô nhiễm trầm trọng môi trường nước mặt” [15]

Đã có nhiều nghiên cứu khoa học và thực tiễn trong việc giải quyết tình trạng ngập úng và ô nhiễm môi trường nước Hà Nội, song chưa có những giải pháp thực sự hữu hiệu, kết hợp được việc giải quyết tình trạng úng ngập và giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước của nội đô [29]

Bên cạnh đó, các bộ cơ sở dữ liệu đã có còn phân tán, chưa được tổ chức đầy đủ và đồng bộ; dẫn đến tình trạng không hiệu quả trong hợp tác về ứng dụng

mô phỏng để có thể chỉ ra được nguyên nhân và lượng hóa tình trạng mất cân bằng của môi trường nước nội đô Hà Nội

Trong bối cảnh đó, nhằm góp phần khắc phục các thiếu sót nêu trên, tác

giả thực hiện đề tài “Nghiên cứu cơ sở khoa học mô phỏng hệ thống cân bằng

nước mặt trong úng ngập khu vực nội thành Hà Nội”

3 Mục tiêu của nghiên cứu

khu vực nội đô Hà Nội

vực nghiên cứu, chỉ ra những nguyên nhân làm mất cân bằng hệ thống về chất và lượng (ô nhiễm, ngập úng)

c Đề xuất giải pháp, góp phần khắc phục tình trạng mất cân bằng cho hệ

thống tiêu thoát nước nội đô, từng bước giảm thiểu tình trạng ngập úng và cải thiện ô nhiễm cho môi trường nước của Thủ Đô, từ cục bộ đến tổng thể

4 Phạm vi và nội dung nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu:

Lưu vực sông Tô Lịch, bao gồm các quận nội thành như Ba Đình, Hoàn Kiếm, Hai Bà Trưng, Đống Đa và một phần các quận Tây Hồ, Cầu Giấy, Thanh Xuân và Hoàng Mai, cùng với toàn bộ hệ thống tiêu thoát nước từ hệ thống sông tiêu hở, hệ thống cống ngầm cho đến hệ thống hồ điều hòa cũng như các cơ sở hạ tầng là phạm vi không gian của nghiên cứu

Nghiên cứu tiến hành trên cả hai phương diện của hệ thống cân bằng nước mặt; cân bằng về lượng - tức nghiên cứu về úng ngập trong mùa mưa bão và cân bằng về chất - tức nghiên cứu về ô nhiễm nước mặt tại một số thủy vực bị ảnh hưởng thường xuyên trong các thay đổi về ô nhiễm và úng ngập đan xen

Cho đến nay, tình trạng mất cân bằng của môi trường nước nội đô Hà Nội

là kết quả của quá trình phát triển Thủ Đô trải qua nhiều giai đoạn lịch sử Bộ cơ

sở dữ liệu được tập hợp và phát triển trong nghiên cứu thể hiện tính kế thừa và phát triển, được cập nhật theo thời gian, chú trọng đến quy hoạch phát triển của

Hà Nội đến năm 2030, tầm nhìn năm 2050

Nội dung của nghiên cứu được xác định như sau:

và ô nhiễm nước mặt vùng nội đô Hà Nội theo luận điểm hệ thống cân bằng nước

e Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu phục vụ nghiên cứu hệ thống cân bằng nước

mặt nội đô Hà Nội

hệ thống

g Nghiên cứu điểm về ô nhiễm nước mặt tại một số thủy vực đặc trưng

trong quan hệ lượng và chất trên quan điểm hệ thống cân bằng nước

cân bằng hệ thống và úng ngập, trên cơ sở đó, đề xuất các bộ giải pháp

5 Đóng góp mới của luận án

Trong quá trình nghiên cứu về hệ thống cân bằng nước mặt đối với khu vực nội đô Hà Nội, luận án đã tập hợp và xây dựng được bộ cơ sở dữ liệu đầy đủ

về hệ thống tiêu thoát nước nội đô; bao gồm các hệ thống mương hở, hệ thống cống ngầm chính của toàn bộ khu vực tương ứng với các giai đoạn phát triển Bộ

cơ sở dữ liệu này được tổ chức có hệ thống, số hóa, đã thể hiện tính ứng dụng và hiệu quả cao trong việc mô phỏng cũng như sử dụng các kết quả này để xây dựng

bộ mô hình mô phỏng úng ngập cho hệ thống nước mặt nội đô Hà Nội

Luận án đã có những đóng góp mới như sau:

1 Các kết quả thu đuợc từ bộ mô hình mô phỏng thủy động lực học (ứng dụng với MIKE FLOOD kết hợp từ các mô đun MIKE URBAN, MIKE 11 và MIKE 21) được thiết lập theo các quy trình mô phỏng đã hiệu chỉnh và kiểm nghiệm trên bộ

cơ sở dữ liệu đo đạc của hệ thống cân bằng nước mặt tương ứng Những phân tích

từ kịch bản mô phỏng đã chỉ ra được các mối liên hệ trong hoạt động có tính động của hệ thống tiêu thoát nước mặt nội đô Việc hình thành các điểm phát úng và úng ngập là kết quả của tình trạng mất cân bằng cục bộ gây ra Luận án đã xác định được 29 nút mất cân bằng cục bộ trong hệ thống hiện tại của mạng tiêu thoát nước nội đô; chính tình trạng mất cân bằng cục bộ từ các nút mất cân bằng này là nguyên nhân gây nên úng ngập cho khu vực nội đô Hà Nội

2 Từ việc xác định được nguyên nhân úng ngập, nghiên cứu đề xuất một số giải pháp kỹ thuật tác động lên các nút mất cân bằng chủ đạo của hệ thống nhằm cải thiện tình trạng úng ngập cho khu vực nội đô Các kết quả mô phỏng đã chỉ ra tính khả thi của giải pháp này, từ đó dẫn đến kết luận rằng giải pháp đề xuất có thể được ứng dụng trong thực tiễn phòng chống úng ngập hiện tại, cũng như góp phần vào công tác quản lý môi trường nước và dự báo úng ngập cho nội thành Hà Nội

6 Ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu làm sáng tỏ nguyên nhân úng ngập, từ đó đưa ra bộ giải pháp úng ngập mang tính thực tiễn, góp phần cải thiện tình trạng úng ngập và ô nhiễm môi trường nước cho nội đô Hà Nội

Các cơ quan quản lý và thực thi dự án phòng và chống ngập lụt cho nội đô của Hà Nội cũng như các đơn vị nghiên cứu chuyên ngành có thể sử dụng bộ cơ sở dữ liệu đã được đăng ký bản quyền để ứng dụng trong các tính toán và ứng dụng mô phỏng ngập lụt Cách tiếp cận nghiên cứu hệ thống cân bằng nước với các kết quả đạt được về các bộ giải pháp úng ngập cho môi trường nước mặt nội đô của Hà Nội có thể được áp dụng cho các thành phố khác tại Việt Nam và trên thế giới trong những điều kiện tương tự

7 Cấu trúc của luận án

Chương 1 đưa ra một số nghiên cứu tổng quan, dẫn luận về cân bằng hệ thống nước và hệ thống cân bằng nước mặt, những điều kiện tự nhiên và các yếu

tố đặc thù tác động đến tình trạng mất cân bằng về lượng và chất của hệ thống nước mặt nội đô, cũng như tổng quan về các phương pháp mô hình mô phỏng thường sử dụng trong nghiên cứu ngập lụt đô thị

Chương 2 trình bày chi tiết về phương pháp, công cụ nghiên cứu, quy trình xây dựng bộ cơ sở dữ liệu, cũng như quá trình hiệu chỉnh, kiểm định mô hình mô phỏng nhằm phục vụ thảo luận và tìm ra giải pháp

Chương 3 trình bày kết quả và thảo luận, bao gồm các kết quả phân tích mẫu nước mặt tại một số thủy vực đặc trưng của hệ thống nước mặt nội đô ở mức nước cao trong mùa mưa được đối chiếu với các kết quả phân tích ở cùng vị trí vào thời điểm nước cạn

Trên cơ sở nghiên cứu kết quả mô hình mô phỏng hệ thống nước mặt khu vực nội đô Hà Nội tại các trận lũ tiêu biểu năm 2008 và năm 2013, chương 3 đi sâu vào phân tích và thảo luận các vấn đề mất cân bằng trong vận hành động của

hệ thống, chỉ ra những nguyên nhân làm mất cân bằng về lượng và chất, trực tiếp gây ô nhiễm và ngập úng; tiếp theo, chương 3 đề xuất các giải pháp khắc phục tình trạng mất cân bằng cục bộ, từng bước cải thiện tình trạng ngập úng cho hệ thống nước mặt vùng nội đô Hà Nội

8 Luận điểm bảo vệ của nghiên cứu

Hệ thống thoát nước mặt nội đô Hà Nội chạy từ trung tâm nội đô ra ngoại

vi theo hình nan quạt tạo thành các mối liên kết theo chiều dọc của hệ thống từ

trung tâm ra ngoài (longitudinal) (Hình 1); trong khi đó, hệ thống cống (ngầm,

hở) từ các khu vực cục bộ của nội đô được kết nối vào hệ thống hình nan quạt này như những vòng cung, nhiều lớp, từ trong ra ngoài tạo thành các mối liên kết

theo phương ngang (tranversal)

Hình 1 Hệ thống tiêu thoát nước chính của nội đô hình nan quạt [40]

Luận điểm 1:

Hệ thống tiêu thoát nước mặt nội đô Hà Nội với các yếu tố cấu thành: hệ thống sông tiêu, hồ điều hòa, mương hở, cống ngầm, v,v thoát nước thải và nước mưa từ trung tâm nội đô ra các sông tiêu, liên kết với nhau, tạo nên một hệ thống cân bằng nước mặt là kết quả của lịch sử phát triển và xây dựng; tại đó, đã

có thể hình thành các khu vực cục bộ bị khống chế bởi các nút cân bằng

Tình trạng úng ngập khu vực nội đô Hà Nội có thể là kết quả của hai kịch bản:

ngoài thông qua hai liên kết chính là đập Thanh Liệt (nối với lưu vực Nhuệ-Đáy)

và trạm bơm Yên Sở (trực tiếp bơm nước nội đô ra sông Hồng)

tuyến dọc với các tuyến ngang, giữa các tuyến cống với hồ điều hòa, giữa các tuyến cống với sông tiêu trong trạng thái cân bằng động bị phá vỡ, trực tiếp gây

nên tình trạng mất cân bằng cục bộ Mất cân bằng cục bộ là nguyên nhân gây nên úng ngập cục bộ và là xuất phát điểm dẫn tới úng ngập vùng nội đô Hà Nội

Luận án tập trung vào nghiên cứu điểm (b) của Luận điểm bảo vệ 1 với mục tiêu xác định các điểm mất cân bằng cục bộ của hệ thống; từ đó, đề xuất các giải pháp, giải quyết từng bước tình trạng úng ngập của khu vực nội đô, từ cục bộ đến tổng thể

Luận điểm 2:

Mô hình hóa bằng phương pháp mô phỏng đối với hệ thống cân bằng nước mặt là giải pháp hiệu quả để phát hiện các nút mất cân bằng giữa các phụ hệ trong hoạt động mang tính cân bằng động của hệ thống, là cơ sở khoa học cho việc giải quyết bài toán úng ngập của nội đô Hà Nội

Luận điểm 3:

Hệ thống cân bằng nước mặt nội đô bị mất cân bằng về chất khi ô nhiễm xảy ra trong hệ thống do thiếu lượng nước cần thiết để pha loãng nước thải bị ô nhiễm Phân tích các mẫu nước mặt tại cùng một thủy vực ở mực nước cao (khi

có mưa lũ) và mực nước cạn (không có mưa) sẽ chỉ ra sự ô nhiễm của hệ thống nước mặt nội đô được giảm thiểu như thế nào trong úng ngập

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

MẶT NỘI ĐÔ Những yêu cầu ngày càng cao về mục đích sử dụng, khai thác và tiêu chuẩn vận hành đối với các hệ thống nước nói chung cùng với sự thay đổi phức tạp và khó lường của biến đổi khí hậu, cộng thêm với sức ép của quá trình đô thị hóa và phát triển kinh tế xã hội trong thời đại hội nhập đã và đang đặt ra thêm nhiều thách thức cho vấn đề cân bằng của các hệ thống nước nói chung và hệ thống nước mặt nói riêng Mất cân bằng của các hệ thống nước sẽ dẫn đến những tác động xấu đối với môi trường và các hoạt động dân sinh, kinh tế nói chung như: ngập lụt (dư thừa về lượng), hạn hán (thiếu hụt về lượng), ô nhiễm (các đơn chất và hợp chất gây ô nhiễm vượt quá khả năng tự làm sạch và/hoặc tiêu chuẩn cho phép)

Hình 1.1 Biểu diễn một chu trình thủy văn chung [70]

Sự cân bằng của hệ thống nước dựa trên quy luật bảo toàn vật chất (conservation of mass): bất kỳ một sự thay đổi nào đối với sự hiện diện của nước tại một hệ thống cụ thể trong một khoảng thời gian xác định, phải bằng hiệu số giữa lượng giáng thủy vào hệ thống với lượng nước thoát ra khỏi chính hệ thống

đó

Cân bằng nước một hệ thống là kết quả của bốn pha trạng thái mà một chu trình thủy văn có thể kết hợp; đó là giáng thủy (precipitation), thoát hơi (evapotraspiration), chảy tràn bề mặt (surface runoff) và nước chảy ngầm (ground water) như được trình bày tại Hình 1.1 Không phụ thuộc vào bản chất của các vấn đề về nước được hệ thống qui định, cân bằng một hệ thống nước là các diễn biến thủy lực để đạt được những thay đổi có thể trong hệ thống đó [66] Khái niệm cân bằng hệ thống nước bao gồm cân bằng hệ thống nước mang tính không gian (spatial) và thời gian (time) [70]

Có nhiều biểu thức để diễn đạt tính cân bằng về lượng của các hệ thống nước, một trong số đó là biểu thức: [67, 70]:

: Lượng nước chảy thoát ra khỏi hệ thống trên bề mặt tại ngày i

: Lượng nước thoát bốc hơi tại ngày i

Như vậy, hệ thống cơ sở có thể là một hệ đơn, có thể là hệ thống lớn, tổng hợp của nhiều hệ thống đơn lẻ với sự tham gia của các dòng chảy ngầm (Ground water: , các dòng chảy tràn bề mặt (Suface run off- , cũng như sự tồn

thống nước mặt nội đô, do tình trạng bị bê tông hóa trên diện rộng nên đại diện cho lượng nước thấm vào không ảnh hưởng đến quá trình vận hành của hệ thống [70]

Đặc điểm hệ thống nước mặt

Hình 1.2 Thành phần khác nhau của dòng chảy tràn tại hệ thống nước mặt

- Q1 là dòng chảy tràn bề mặt (surface runoff or overland flow) Tại Hình 1.2: là

nước chảy trên bề mặt của hệ thống hướng ra nơi tiêu thoát chính, thường là kết quả của lượng nước đưa vào hệ thống vượt quá khả năng thấm hay tiêu thoát tại chỗ của hệ thống đó Đối với một hệ thống tiêu thoát nước mặt nội đô, dòng chảy tràn xảy ra khi mưa lớn, trong khi khả năng thoát nước của hệ thống hố ga, cống dẫn không đủ tiêu thoát theo thiết kế [70]

- Q2 là dòng chảy cận bề mặt (subsurface runoff or inter flow): đây là dòng chảy

cận bề mặt nằm giữa khu vực xảy ra dòng chảy tràn bề mặt và dòng chảy dưới mặt đất (dòng chảy dưới mặt đất (xác định được) khác với dòng chảy ngầm (thường không xác định rõ ràng) [70] Đối với hệ thống nước mặt nội đô, đây chính là toàn bộ hệ thống gom nước từ các hố ga cho đến hệ thống cống ngầm khu vực và tổng thể, trước khi đổ vào hệ thống tiêu thoát chính của lưu vực nội

đô (gồm sông Lừ, sông Sét, sông Kim Ngưu trước khi đổ vào Tô Lịch) [41-43]

- Q3 là dòng chảy ngầm (ground water runoff or base flow): là dòng chảy đưa nước tới hệ thống tiêu thoát khu vực (hệ thống cống) hay tới hệ thống tiêu thoát tổng thể (sông tiêu) hoặc là sự kết hợp của cả hai hệ thống này [70]; đối với hệ thống tiêu thoát nước mặt nội đô, Q2 và Q3 có thể được coi là một Đặc biệt, tại các hệ thống cân bằng nước mặt nội đô, do tính chất bê tông hóa cao của hệ thống nên không có sự tham gia của các hệ nước ngầm [43]

Trong khi các quá trình nghiên cứu về cân bằng hệ thống nước nói chung dẫn đến một mục đích cụ thể cần phải đạt được, thí dụ như cân bằng cung-cầu về

nước (lưu vực sông Thạch Hãn [36]), cân bằng giữa tích nước và xả (như của lưu vực Chao Phraya-Băng Cốc [62]), thì một hệ thống nước mặt nội đô được xây dựng và phát triển theo những thiết kế nhất định, luôn phải là một hệ thống cân bằng động trong các chu trình thủy động lực với các điều kiện cụ thể về lượng mưa và tương tác giữa các thành phần cấu thành như các hệ thống con Sự mất cân bằng cục bộ trong hoạt động theo thiết kế của các hệ thống con của một hệ thống nước mặt chính, đã làm cho hoạt động chung của hệ thống nước mặt theo thiết kế bị mất cân bằng với những hậu quả khó lường trước như úng, ngập nghiêm trọng hay ô nhiễm nặng nề [62, 70]

Hệ thống cân bằng nước mặt nội đô là một hệ thống nước có mạng lưới tiêu thoát nước mặt được thiết kế nhằm đạt được mục đích cân bằng nhất định, tức là thoát được úng ngập theo các tiêu chí đã được thiết kế riêng cho hệ thống

đó trong điều kiện vận hành động (thí dụ hệ thống cân bằng nước mặt nội đô Hà Nội sau dự án giai đoạn I phải tiêu thoát được lượng mưa 172 mm/2ngày), tức đạt được cân bằng theo thiết kế [40, 41]

Cân bằng hệ thống nước mặt nội đô ở một giới hạn được xác định có thể

là quy trình xem xét và tác động để đạt được năng lực tiêu thoát úng ngập trong vận hành động về lượng (xem xét khả năng tiêu thoát úng ngập cho nội đô trong điều kiện úng ngập nhất định) hay về chất (đánh giá và tác động để giảm thiểu mức độ ô nhiễm của hệ thống nước mặt nội đô trong úng ngập) Để làm rõ hơn các phân tích này, nghiên cứu sẽ trình bày một số trường hợp cụ thể dưới đây như cân bằng trong việc cung cấp nước cho một hệ thống nội đô, ở đó có sự tồn tại của các công trình cổ nằm ngầm đôi khi chưa được phát hiện, do đó phát sinh

thêm các tham số phụ trong tính toán như tại khu vực đồi Buda Hill, Budapest

của Hungary [61] Tiếp theo là trường hợp cân bằng lưu vực Chao Phraya của Thái Lan [62], đòi hỏi cân bằng trong đơn vị thời gian theo tháng và theo mùa (mùa mưa) Luận án sẽ từng bước giới thiệu về hệ thống nước Nhuệ - Đáy mà tính cân bằng trong hoạt động của hệ thống này có thể ảnh hưởng tới khu vực nội

đô thông qua một số điều kiện biên liên quan đến hệ thống nước mặt nội đô hoạt động độc lập, khép kín với các qui luật cân bằng nội tại

1.1.1 Cân bằng hệ thống nước một số khu vực trên thế giới

1.1.1.1 Hệ thống nước khu vực đồi Buda Castle Hill

Hình 1.3 Sơ đồ diễn tả các cấu thành tham gia vào tình trạng cân bằng của

hệ thống nước tại khu vực Buda Castle Hill [61]

Khu vực đồi Buda Castle Hill [61] là một khu vực trung tâm cổ kính và lịch sử của thủ đô Budapest, Hungary; ở đây có hệ thống tiêu thoát nước khá phức tạp, đan xen giữa các hệ thống mới và các hệ thống được xây dựng từ nhiều thế kỷ trước Để đánh giá cân bằng của hệ thống nước tại đây, phương trình cân bằng nước đã được sử dụng đầy đủ các thành phần tại Biểu thức (1.1), bao gồm giáng thủy, bốc hơi, thẩm thấu, dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm trong

hệ thống cống,v.v các tác giả đã xem xét đến các sự cố của hệ thống cống và

hệ thống thoát nước thải tại khu vực Việc phát hiện thêm những kênh tiêu thoát nước cổ không còn nguyên vẹn (thường nằm dưới hoặc ẩn trong các tầng thẩm thấu) đã bổ sung một cách đáng kể các tham số mới của quá trình tính toán

Trong khi lượng nước thấm từ vùng biên là một tham số không tường

C-giáng thủy, P-bốc hơi, BE-nước thẩm, Vv-nước

cấp, Vta-nước dùng tại khu vực lò sưởi, L-nước thoát, Vcsa-đường ống nước, Vcse-nước nhỏ giọt, Vbk-nước trong khe hầm, Vki-nước ứ

đọng cục bộ

minh thì lượng nước chảy thoát trên bề mặt trong ngày lại không đáng kể, Biểu thức 1.1

Nghiên cứu trường hợp đồi Buda Castle Hill là một ví dụ về việc phải bổ sung các yếu tố mới trong chiến lược kế hoạch hóa việc cung cấp nước cho phát triển đô thị trên nền một hệ thống cung cấp nước có sẵn Kết quả là một hệ thống các công thức cụ thể hóa của phương trình cân bằng nước cho các khu vực đô thị

đã được xây dựng và khuyến cáo ứng dụng cho các dự án cấp nước tại các khu vực tương tự tại Hungary [61]

Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, hệ thống nước mới được nghiên cứu mang tính trung bình theo mùa và năm, phục vụ chủ yếu cho những lưu ý đặc thù khi quy hoạch hơn là những ứng dụng thực tiễn cho việc đề xuất các giải pháp cụ thể trong thiết kế đối với các đô thị nói chung Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là phương pháp tính toán giải tích, chưa mô tả được tính chất động theo thời gian của các yếu tố trong hệ thống nước xem xét cũng như tính liên kết của các mạng lưới thành phần (dòng chảy tràn mặt, dòng chảy trong kênh hở, dòng chảy trong cống ngầm, v.v )

1.1.1.2 Cân bằng hệ thống nước lưu vực Chao Phraya (Bangkok, Thái Lan)

Trên quan điểm hệ thống cân bằng nước mặt, trường hợp của lưu vực Chao Phraya (Bangkok) [62] là một thí dụ điển hình về mối quan hệ giữa cân bằng đạt được tại các yếu tố cấu thành riêng biệt, trong khi đó hệ thống tổng thể lại không đạt được trạng thái cân bằng trong qui trình vận hành động

Vào tháng 10 năm 2011, toàn bộ lưu vực Chao Phraya, trong đó có Thủ đô Bangkok đã trải qua một trận lụt lịch sử chưa từng có trong nửa thế kỷ qua Tổng cộng hơn 30 tỉnh và thành phố bị ngập, chiếm 2/3 diện tích của Thái Lan Trận lụt lịch sử này đã gây hậu quả nghiêm trọng cho 4,039,459 hộ dân cư với 13,425,869 triệu người, trong đó có 2,329 căn nhà bị phá hủy hoàn toàn, làm chết

657 người và 3 người bị mất tích [67] World Bank đã ước tính tổng thiệt hại do trận lụt năm 2011 gây ra cho Thái Lan là 1,440 tỉ Bạt (tương đương 3,5 tỷ USD), chủ yếu do các khu công nghiệp bị ngừng sản xuất Riêng ngành du lịch nổi tiếng của Thái Lan bị mất 3,71 tỷ Bạt và giảm 3,2 triệu khách [46]

Hình 1.4 Các hướng lũ cục bộ cộng thêm lũ do nước chảy tràn bề mặt từ hai đập thượng lưu tấn công Bangkok tại trận lụt 11/2011 [67]

trong những ngày ngập lụt, tương ứng với một khối lượng nước tới 16 tỷ

m3/tháng đổ về từ thượng lưu qua lưu vực Chao Phraya ra biển (Hình 1.4) [46]

Nguyên nhân của trận lụt lịch sử của Bangkok là sự tích hợp của nhiều yếu

tố, từ khách quan của biến đổi khí hậu tới chủ quan, trong đó có khâu quản lý vận hành giữa hệ thống các hồ chứa nước và tình trạng thoát úng tại lưu vực Chao Phraya, trong đó có Thủ Đô Bangkok phía hạ lưu

Do khí hậu nhiệt đới đặc trưng gió mùa với cường độ mưa cao hơn 35% so với trung bình do tác động của La Nina, mưa lớn đã làm nước dâng cao tại các con kênh, sông thoát nước gây ra lũ tràn và ngập tại lưu vực liên quan trên diện rộng [20]; trong lúc đó, mưa lớn đã làm cho nước về bất thường tại 2 hồ chứa nước rất lớn tại miền Bắc của lưu vực Chao Phraya là Bhumibol (tỉnh Tak) và Sirikit (tỉnh Uttratadit) Trên nguyên tắc, 2 đập nước này tích nước trong mùa lũ,

đủ để phục vụ tưới tiêu nông nghiệp và thủy điện trong mùa khô Khi nước đã tích đủ, lượng lũ về hồ sẽ được xả vào các sông Ping và sông Nan thuộc tỉnh Nakhon Sawan, qua Bangkok rồi đổ thẳng ra vịnh Thái Lan Tuy nhiên, do thiếu các thông tin cảnh báo và thiếu quy trình vận hành hợp lý, đặc biệt là việc xem xét ảnh hưởng đến hạ du, nên vào tháng 11 năm 2011, khi mưa lớn xảy ra bất

thường trong bối cảnh hồ đã tích đầy nước (đã chứa tới 63% dung tích), nên buộc phải xả lũ các hồ để đảm bảo an toàn công trình Lượng xả cực đại đạt 77 triệu

khu vực hạ du đã ngập trong nước, là một nguyên nhân quan trọng gây nên thiệt hại như kể trên đối với lưu vực Chao Phraya và Thái Lan (Hình 1.5) Trường hợp của đập Sirikit cũng vậy, trong khi lượng mưa đổ về hồ rất lớn thì hồ đã chứa tới 80% dung tích, cao gấp 2 lần cùng kỳ năm trước; kết quả đã phải xả khoảng 55 triệu m3/ngày trong thời gian từ đầu tháng 9 đến giữa tháng 10 năm 2011 [46]

Đối với trường hợp của lưu vực Chao Phraya, (Biểu thức 1.1) cho ta thấy một thực tế là trong khi lượng nước có sẵn SW0 đang gây úng ngập cục bộ thì lượng mưa Rday lại tiếp tục được đưa vào hệ thống Trầm trọng hơn nữa, một tổng chảy tràn bề mặt (nước xả từ hồ chứa nước tràn về theo các kênh, mương) tiếp tục làm cho hệ thống thêm mất cân bằng trầm trọng Với đặc thù lưu vực Chao Phraya có nhiều mương, kênh, rạch hở dày đặc nên lượng nước chảy

Hình 1.5 Biểu đồ tích xả nước tại 2 hồ chứa nước Bhumidol và Sirikit năm 2011 [65]

Sau trận lũ lịch sử này, chính phủ Thái Lan đã nhận thức được mối đe dọa

từ việc thiếu những nghiên cứu và đánh giá về cân bằng tổng thể trong mùa lũ

Để giải bài toán này, họ đã mời Viện thủy lực Đan Mạch (DHI-Denmark Hydrological Institute) xây dựng bộ CSDL số hóa kèm theo tư vấn về giải pháp dựa trên công nghệ mô hình mô phỏng thủy động lực (Hình 1.6), nhằm tổ chức lại mạng lưới tiêu nước, từ việc xả lũ hợp lý từ thượng nguồn đến các biện pháp bơm, đẩy nước và ứng cứu mỗi khi lũ lụt [62]

Hình 1.6 Mạng lưới số hóa lưu vực Chao Phraya [57]

1.1.2 Cân bằng hệ thống nước mặt Thành phố Hồ Chí Minh

người/km2 trên tổng số gần 8 triệu người, hiện là trung tâm công nghiệp và thương mại lớn nhất của cả nước [34]

Trong những năm qua, tình hình úng ngập tại thành phố Hồ Chí Minh đã diễn ra rất phức tạp, (Hình 1.7) và (Hình 1.8) cho thấy trong giai đoạn 2005-2009, tổng số điểm úng ngập trên toàn thành phố là 65/2005, 67/2006, 125/2007, 126/2008 hay 96/2009 Gần đây, với kết quả từ nhiều dự án nâng cấp và xây mới các công trình cấp thoát nước, số điểm úng ngập đã giảm còn 31 điểm trong năm 2011; tuy nhiên, tình trạng mở rộng phạm vi úng ngập tại khu vực ngoài nội đô tăng liên tục từ 3 điểm/2005, 6 điểm/2008, 18 điểm/2007 lên tới 40 điểm/2008, giữ

ở mức 27 điểm cho các năm 2009, 2010 và 17 điểm trong năm 2011 [25]

Hình 1.7 Biểu đồ thống kê ngập úng tại các quận trung tâm và các vùng ngoại vi, thành phố

Hồ Chí Minh, 2003-2011 [25]

Hình 1.8 Hơn 100 điểm ngập úng tại thành phố Hồ Chí Minh [12]

Hình 1.8 chỉ ra hơn 100 điểm bị úng ngập tại thành phố Hồ Chí minh

Nguyên nhân của úng ngập có thể từ khách quan: do lũ đổ về từ đồng bằng sông Cửu Long, do mưa lớn, do hậu quả của độ sụt lún (1-3 cm/năm) hay do nước biển dâng với các khu vực thấp hơn +1,5 m đều bị ngập triều (Hình 1.9) Tổ chức khí tượng thế giới (WMO) đã xếp thành phố Hồ Chí Minh nằm trong danh sách

20 thành phố trên thế giới sẽ chịu tác động mạnh nhất của hiện tượng nước biển dâng trong thế kỷ 21 [71]

Với vốn vay gần 1 tỷ Đô la Mỹ từ Quỹ Phát triển Hải ngoại Nhật Bản (JICA), thành phố Hồ Chí Minh đã đầu tư vào các dự án Tham Lương-Bến Cát (400 triệu USD), Nhiêu Lộc-Thị Nghè (300 triệu USD), Tân Hóa-Lò Gốm (200 triệu USD), Tầu Hủ-Bến Nghé (350 triệu USD) nhằm cải tạo môi trường và cải thiện tình trạng úng ngập úng cho thành phố [25]

Hình 1.9 Các nguyên nhân gây úng ngập cho thành phố Hồ Chí Minh [25]

Trên tổng thể, khối lượng đã được cải tạo trong hệ thống tiêu thoát nước mặt của t/p Hồ Chí Minh chỉ vào khoảng 20%, tương đương với diện tích khoảng

100 km2 trên tổng số khoảng 650 km2 cần phải được nâng cấp [25]

Những nghiên cứu gần đây của tác giả Hồ Long Phi tại Trung tâm Chống ngập của UBND t/p Hồ Chí Minh đã chỉ ra rằng sự tương quan giữa mực nước dâng cao nhất đo hàng năm tại các trạm Biên Hòa, Phú An và Thủ Dầu Một với lưu lượng xả trung bình hàng ngày tại hồ Dầu Tiếng là không đáng kể; trong khi đó, các mức đo trên lại có liên quan mật thiết với lưu lượng xả tối đa tại thủy điện Trị An Các số liệu quan trắc thủy văn trong hệ thống sông Đồng Nai, sông Sài Gòn và trạm Vũng Tàu thời kỳ 1990-2007 đã cho thấy trong khi mực nước tại Vũng Tàu không tăng và mực nước tại Biên Hòa chỉ tăng nhẹ thì mực nước tại Phú An và Nhà Bè đã tăng đáng kể, với tốc độ lần lượt là 1,45 cm/năm và 1,17 cm/ năm [12] Những số liệu này đã dẫn tới kết luận rằng xu hướng ngập lụt gia tăng tại thành phố Hồ Chí Minh có thể không gắn với hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu (BĐKH) và nước biển dâng cao (NBDC), mà có thể gây ra bởi các lý do mang tính cục bộ và địa phương của thành phố này [12]

Trong khi khá thống nhất trong việc đánh giá rằng hiểm họa do nước biển dâng sẽ xảy ra trong những năm 2050 là tiềm tàng [24], thì hiện tại, các dự án cũng như các đánh giá và nghiên cứu chung về úng ngập tại thành phố Hồ Chí Minh chưa đề cập đến một khả năng khác; đó là sự mất cân bằng trong hoạt động nội tại của hệ thống thoát nước mặt mà đây có thể là một trong những nguyên nhân gây úng ngập cho thành phố này Vấn đề mất cân bằng trong chế độ quản lý vận hành giữa hệ thống tiêu thoát nước của thành phố với các hồ ở thượng lưu cũng có thể là một nguyên nhân gây úng ngập; nếu coi rằng sự ngập úng do triều cường có thể giải quyết được một cách riêng biệt nhờ vào các giải pháp kỹ thuật thuần túy thì vấn đề còn lại là: hệ thống thoát nước mặt nội đô thành phố Hồ Chí Minh có giúp được cho thành phố này thoát được úng ngập khi có mưa? Cụ thể hơn nữa, nếu hệ thống này hoạt động cân bằng thì giới hạn nào cho sự mất cân bằng sẽ là một vấn

đề then chốt, đặt ra cho các dự án qui hoạch, nâng cấp và phát triển mạng lưới tiêu thoát nước tại thành phố Hồ Chí Minh

Các trường hợp được dẫn ra ở trên cho ta thấy rằng, vấn đề úng ngập tại các hệ thống nước mặt, nhất là tại các khu vực nội đô, đã có thể luôn gắn liền với vấn đề cân bằng trong hoạt động nội tại của các hệ thống đó mà nhiệm vụ của các nghiên cứu về úng ngập là phải tìm ra được các quy luật về cân bằng và mất cân bằng trong hoạt động của các hệ thống này

1.2.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên khu vực Hà Nội

Sau 4 lần điều chỉnh địa giới kể từ năm 1961, vào năm 2008, Thủ đô Hà Nội

có diện tích 3.348,5 km2, dân số xấp xỉ 6,45 triệu người, mật độ trung bình là 1.926 người/km2 [42, 43] Tỷ suất tăng dân số bình quân/năm của Hà Nội cho thời kỳ 1999-2009 trung bình 2% Tăng bình quân 2,1%/năm (2000-2008), trong đó thành thị là 4,6 %, cao hơn cả thành phố Hồ Chí Minh (3,1%), chủ yếu tăng cơ học [8,11]

Thủ đô Hà Nội có địa hình khá đa dạng, bao gồm vùng đồng bằng, vùng trung du, đồi núi thấp và cả vùng núi cao Cao độ địa hình biển đổi từ Tây Bắc xuống Đông Nam và từ Tây sang Đông [10] Vùng đồng bằng của Hà Nội nằm dọc theo hạ lưu sông Hồng, sông Đáy và sông Tích, chiếm khoảng 54,5% diện tích

tự nhiên với cao độ có nhiều biến đổi, phổ biến từ 1,0 m đến cao hơn 11,0 m [11]

Vùng trung du và đồi núi thấp chiếm khoảng 40% diện tích tự nhiên, tập trung chủ yếu thuộc Hà Tây cũ và Sóc Sơn Đây là dạng địa hình địa hình gò đồi, núi thấp,

có độ cao từ (30-300) m tập trung chủ yếu ở vùng thấp của Ba Vì, vùng cao của các huyện Thạch Thất, Quốc Oai, Mỹ Đức, Chương Mỹ, thị xã Sơn Tây, Lương Sơn [9] Vùng núi của Hà Nội với địa hình núi cao chiếm khoảng 5%, tập trung chủ yếu ở Ba Vì có độ cao từ 300 m trở lên với đỉnh cao nhất tới 1.296 m Đây là nơi có địa hình dốc (>25o), tập trung tới 54% diện tích đất lâm nghiệp của Hà Tây

cũ [42]

Các báo cáo khảo sát địa chất của Việt Nam chỉ rõ rằng, Hà Nội được đặc trưng bởi những trầm tích thuộc kỷ đệ tứ phủ lên lớp kiến tạo tầng đá cứng Các lớp địa tầng

bao gồm lớp kiến tạo ở Thái Bình, gồm cát, sét pha cát và phù sa, tiếp theo là lớp kiến tạo ở Hưng Yên, gồm sét mùn phủ lên lớp kiến tạo ở Phú Thọ - Vĩnh Phúc với các trầm tích cát, và cuối cùng lớp kiến tạo ở Hà Nội gồm các trầm tích sỏi pha cát [8]

Lượng mưa trung bình hàng năm khoảng 1.655 mm, trong đó mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 10 chiếm hơn 80% tổng lượng mưa cả năm Lượng bốc hơi hàng tháng trong khoảng từ 60-10 mm, trong khi nhiệt độ hàng tháng dao động trong khoảng 16oC-28oC [8]

Hà Nội bị tác động mạnh bởi hoạt động của sông Hồng và sông Đà; trong đó, sông Hồng là con sông chính, bắt đầu chảy vào Hà Nội ở huyện Ba Vì và ra khỏi thành phố ở khu vực huyện Phú Xuyên tiếp giáp Hưng Yên Độ dốc lòng sông nhỏ,

đoạn từ Lào Cai đến Việt Trì có độ dốc i = 23 cm/km (0,00023), trong khi đó, đoạn từ

Việt Trì ra biển khoảng 220 km độ dốc chỉ còn 3 cm/km (0,00003), sông uốn khúc mạnh Sông Đà là ranh giới giữa Hà Nội với tỉnh Phú Thọ, hợp lưu với sông Hồng ở phía Bắc tại huyện Ba Vì [43]

Tuy bị chi phối bởi hệ thống sông lớn là sông Hồng và sông Đuống, nhưng

do có hệ thống đê sông kiên cố ngăn cách các khu vực trũng phía nội đồng với dòng chảy sông nên trong mùa mưa, nước ngập úng không có điều kiện tiêu thoát trực tiếp ra các sông kể trên Nằm ở phía Tây của nội đô Hà Nội là lưu vực sông Nhuệ - Đáy với diện tích khoảng 7.600 km2, gồm các sông chính là sông Tích, sông Đáy và sông Nhuệ; các con sông này đóng vai trò là những thành tố quan trọng trong một hệ thống tiêu thoát nước cho thủ đô Hà Nội (Hình 1.11) [42]

1.2.2 Tình hình ngập lụt của Thủ Đô Hà Nội

Trong suốt quá trình phát triển, Thăng Long xưa luôn phải đối mặt với úng ngập Đại Việt sử ký toàn thư viết về úng ngập tại Thăng Long xưa như sau:

“Tháng 7 âm lịch năm 1270, phố phường kinh thành Thăng Long chìm trong nước lụt, người người phải đi lại bằng thuyền; tháng 6 âm lịch năm 1630, sông Nhị Hà (sông Hồng) tràn bờ và làm ngập nhiều phố phường, nước tràn vào như thác ở cổng kinh thành phía nam, v.v ” [31]

Nhằm đối phó với lũ lụt từ các hệ thống sông, hệ thống đê sông kiên cố đã được bắt đầu xây dựng từ thế kỷ XIII; trong suốt giai đoạn từ nhà Lê (thế kỷ XV) đến nhà Nguyễn (thế kỷ XVIII), mạng lưới đê luôn được bảo vệ và gia cố nhằm bảo vệ cho kinh thành Thăng Long Bắt đầu từ đời Gia Long thứ tư, nhà Nguyễn

đã thu hẹp dần kinh thành Thăng Long với ý đồ xếp kinh thành Huế lên hàng Thủ

Đô, cũng từ đây, tên gọi Thăng Long cũng được nhà Nguyễn đổi thành Hà Nội vào năm 1831[73]

Hình 1.10 Ngập lụt phía đầu cầu Gia Lâm năm 1926 (a) và ngập lụt bờ hữu

Hồng của Hà Nội năm 1926 (b) [31]

đã có 9 năm nước lũ cao hơn 12,0 m, 12 năm có lũ cao hơn 11,5 m, 38 năm có lũ cao hơn 10,5 m, đôi khi có ngọn lũ cao hơn mức báo động 2 kéo dài đến 10 ngày (Hình 1.10) Trong vòng 15 năm, từ năm 1956 đến năm 1971, trên sông Hồng đã xuất hiện 6 trận lũ lớn, mực nước đỉnh lũ ở Hà Nội lên hơn 11,0 m; trong đó có trận

lũ xảy ra vào tháng 8 năm 1971, mực nước ngoài đê Hà Nội lên tới 14,13 m; để cứu thủ đô, nhà chức trách bắt buộc phải phá vỡ đê Cống Thôn phía Gia Lâm [8]

Tuy nhiên, từ khi nhà máy thủy điện Hòa Bình được đưa vào vận hành sử dụng, đập thủy điện Hòa Bình đã phát huy được tối đa khả năng cắt lũ cho hạ lưu, hạn chế được khá nhiều tình trạng lũ lụt cho Hà Nội [5]

1.2.3 Hệ thống cân bằng nước mặt lưu vực Nhuệ-Đáy, lưu vực Tô Lịch

Hình 1.11 Sơ đồ lưu vực Nhuệ-Đáy [9]

Sông Đáy có chiều dài 240 km, bắt nguồn từ sông Hồng thông qua hệ thống phân chứa lũ Vân Cốc, Phúc Thọ chảy qua Hà Nội, Hà Nam, Ninh Bình và Nam Định trước khi đổ ra biển Đông tại cửa Đáy (Hình 1.11) Sông Nhuệ có độ dài 76 km bắt đầu từ cống Liên Mạc (Bắc Từ Liêm), chảy qua các quận Bắc Từ Liêm, Nam Từ Liêm, Hà Đông, qua địa phận Thanh Trì, Thường Tín, Thanh Oai

và Phú Xuyên trước khi hợp lưu vào tả ngạn sông Đáy Một trong những chi lưu quan trọng của sông Nhuệ là sông Tô Lịch Sông Tô Lịch lấy nước từ cống Đọ (Hồ Tây) và đưa hầu hết lượng nước tiêu thoát của nội đô Hà Nội đổ vào sông Nhuệ phía sau đập Thanh Liệt [9]

Với địa hình tự nhiên có độ dốc dọc theo sông Hồng từ Bắc-Nam (Hình 1.11), lưu vực Nhuệ - Đáy bao gồm hữu Đáy và tả Nhuệ, có cao độ xây dựng từ 10,3 m (Phúc Thọ), qua Quốc Oai (8,5 m), qua khu vực Yên Nghĩa có cao độ từ 6,0 đến 7,0 m, lưu vực hữu sông Nhuệ tại Phú Xuyên có cao độ 5 m [7] Địa hình

có xu thế dốc theo hướng Tây-Đông (Hình 1.12, Hình 1.13), khu vực hữu Đáy có cao độ khoảng 9,5 m trong khi khu vực sông Nhuệ khoảng 8,2 m và khu vực

sông Tô Lịch khoảng 5,7 m Với cao độ trung bình khu vực nội đô khoảng 6,8 m, nên hướng thoát nước tự nhiên sẽ từ nội đô ra sông Tô Lịch, theo sông Nhuệ và nhập với sông Đáy ở khu vực phía Nam [9]

Hình 1.12 Nền và địa hình Hà Nội dốc Tây - Đông và Bắc-Nam [9]

Hình 1.13 Mặt cắt biểu diễn hướng dốc lưu vực Nhuệ - Đáy

từ Tây sang Đông, thấp nhất là khu vực sông Tô Lịch [9]

Lưu vực Nhuệ -Tô Lịch đã hình thành một hệ thống nước với mức độ cân bằng đạt được nhờ vào việc thoát nước tự nhiên trên cơ sở các con sông thoát lũ theo hướng Bắc - Nam Nhằm mục đích ngăn tác động bất lợi của lũ trên hệ thống sông Nhuệ - Đáy có thể tràn vào hệ thống thoát nước nội đô, đập Thanh Liệt đã được xây dựng ở khu vực nhập lưu giữa sông Tô Lịch với sông Nhuệ Đập gồm có các cửa điều khiển, được đóng khi mực nước trên sông Nhuệ lớn hơn 4,5 m và mở

ra cho nước sông Tô Lịch tiêu ra sông Nhuệ khi mực nước sông Nhuệ xuống dưới 4,5 m [9] Toàn bộ khu vực tả Tô Lịch, bao gồm nội đô Hà Nội hình thành lưu vực

Tô Lịch

Trong các tình huống mưa lũ, khi mực nước sông Nhuệ dâng cao, nước

trong khu vực nội đô không còn khả năng tiêu thoát tự chảy xuống phía Nam

qua hệ thống sông Nhuệ - Đáy, đập Thanh Liệt được đóng lại và toàn bộ lượng nước tiêu thoát của khu vực nội đô sẽ được tiêu xuống hồ điều hòa Yên Sở, sau

đó được bơm cưỡng bức ra sông Hồng bằng trạm bơm Yên Sở Như vậy, về cơ

bản, lưu vực Tô Lịch, bao trùm nội đô Hà Nội, là lưu vực kín và chỉ tiêu thoát

ra các hệ thống bên ngoài qua đập Thanh Liệt và trạm bơm Yên Sở [9]

Ở một số tình huống đặc biệt, đập Thanh Liệt có thể được mở ra khi mực nước sông Nhuệ dâng cao, nhằm giúp sông Nhuệ tiêu bớt úng sang sông Hồng qua trạm bơm Yên Sở Ví dụ điển hình là trường hợp sau cơn bão số 6, ngày 8 đến ngày 9 tháng 8 năm 2013: mưa lớn liên tục trong 2 ngày khiến toàn bộ lưu vực sông Nhuệ; các hồ Đồng Sương, Văn Sơn, Miễu (Chương Mỹ), Quan Sơn (Mỹ Đức) và Kèo Cà (Sóc Sơn) đều phải xả tràn Lũ các sông như Tích, Bùi lên báo động 2; nghiêm trọng hơn, mực nước sông Nhuệ nằm giữa vành đai 3 và 4 của Hà Nội lên cao hơn một mét so với mực nước sông Tô Lịch trong nội đô Nước lên nhanh khiến bờ hữu sông Nhuệ thuộc xã Tây Tựu (Từ Liêm) bị tràn khoảng 600 m vào chiều 8/8 Đến rạng sáng ngày 9/8, bờ đê sông Cầu Ngà (nhánh của sông Nhuệ) thuộc xã Tây Mỗ (Từ Liêm) bị sạt lở khoảng 20-30 m, nước tràn vào khu dân cư và tuyến đường xung quanh, trong đó có đường 70, gây ngập sâu 0,7 m (Hình 1.14 a, Hình 1.14 b) [21]

Để giảm mực nước sông Nhuệ, tránh sự cố bất lợi vỡ đê uy hiếp nội thành, công ty thoát nước đã phải đưa ra phương án mở cống Thanh Liệt, xả nước sông Nhuệ vào Tô Lịch để tiêu thoát ra sông Hồng qua trạm bơm Yên Sở Lúc 2:00

pm chiều 9/8, Hà Nội mở cửa đập Thanh Liệt (Hình 1.14b) [21] Bên cạnh việc

xả nước sông Nhuệ ra sông Tô Lịch, các công ty thủy lợi cũng đã vận hành 193 trạm bơm với hơn 1.000 máy để tiêu úng ngập cho thành phố, đồng thời đóng cửa điều tiết Cầu Đìa (Từ Liêm), Cầu Sa (Hoài Đức) để hạn chế nước vùng Đan Phượng và Hoài Đức chảy vào sông Nhuệ [39]

(a) (b) Hình 1.14 Nước ngập trên đường 70, cạnh sông Nhuệ 9/8/2013 (a); xả nước ngược trở lại Tô Lịch qua cửa Thanh Liệt, sau bão số 6; 9/8/2013 (b) [21]

1.2.4 Hệ thống cân bằng nước mặt nội đô Hà Nội qua các giai đoạn phát triển

nằm trọn trong lưu vực Tô Lịch Đây là một hệ thống kín với 2 điều kiện biên liên kết với hệ thống ngoài là trạm bơm Yên Sở và đập Thanh Liệt (hệ thống Nhuệ - Đáy) Sau khi hoàn thành dự án cải tạo môi trường thoát nước Hà Nội giai đoạn I, hệ thống tiêu thoát nước nội đô được đảm bảo theo thiết kế, tiêu thoát với lượng mưa 172 mm/2 ngày (Hình 1.16) [40]

1.2.4.1 Hệ thống cân bằng nước mặt nội đô Hà Nội thời kỳ thuộc Pháp (cho đến năm 1954)

Hình 1.15 Hà Nội năm 1873 với khu vực Hoàng Thành, khu phố cổ, sau

khi Pháp chiếm Hà Nội (a) và Hà Nội năm 1935 (b) [32]

Hình 1.16 Sơ đồ mạng thủy lực hệ thống tiêu thoát nước mặt nội đô Hà Nội [40]

Có thể thấy được chủ thuyết phát triển đô thị Hà Nội của người Pháp với tiêu chí hiện đại trong các qui hoạch của Ernest Hébrard (1923-1933) [72], Louis George Pineau (1930-1937) hay Henri Cerrutti (1937-1943) (Hình 1.15a), theo đó, một Hà Nội với không gian đô thị hiện đại và khoa học, mang tính văn hóa đã được quy hoạch để phát triển Song song với việc phát triển đô thị, người Pháp đã xây dựng một hệ thống cống ngầm đủ để thoát úng cho nội đô Hà Nội (Hình 1.15-b) [9]

Tuyến cống đầu tiên tại nội đô Hà Nội được xây dựng ở đường Paul Bert (Tràng Tiền ngày nay), Hàng Khay, Tràng Thi, Điện Biên Phủ Vào năm 1897,