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 bằngnước 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 nhi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

_

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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

 PGS TS NGUYỄN MẠNH KHẢI

HÀ NỘI-2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên c ứ u củ a riêng tôi, đượchoàn thành dướ i sự hướng d ẫ n củ a PGS TS Ph ạ m Quang Hà và PGS TS.Nguyễ n Mạ nh Khải

Các kế t quả được viết chung v ớ i tác gi ả khác đã được sự nhấ t trí của đồ

ng tác gi ả khi đưa vào luận án S ố li ệu nêu trong lu ận án là trung th ự c và kế tquả c ủa nghiên c ứu chưa từng được ai công b ố trong bất k ỳ công trình nàokhác

Nghiên cứu sinh

Phạm Mạnh Cổn

LỜI CẢM ƠN

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 trọngcảm ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của các Thầy, các Cô, cán bộ và nghiên cứuviên của Khoa Môi trường, Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Phòng SauĐại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội; được làmviệc với các Thầy, các Cô, các cán bộ và các nhà khoa học trẻ, là một hạnh duyên đốivới 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 Côngnghệ, nơi đã tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh phát triển sự nghiệp nghiên cứu khoahọc của mình

Nghiên cứu sinh xin gửi lời tri ân tới mọi thành viên trong gia đình, tới EltekViệt Nam về những động viên và chia sẻ, về sự thông cảm của bạn bè, người thân vìnhững khó khăn mà mọi người đã có thể phải gánh vác trong quá trình nghiên cứu vàhoàn 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 quantrọng trong thành công của nghiên cứu khoa học này

Hà Nội, ngày tháng năm

NCS PHẠM MẠNH CỔN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG……… 4

DANH MỤC CÁC HÌNH ……… 5

MỞ ĐẦU ……… 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

2 Bảng 1.2 Một số hồ điển hình trên địa bàn nội đô Hà Nội 42

3 Bảng 1.3 Hệ thống tiêu thoát nước nội đô, số liệu đến 1/2009 43

4 Bảng 1.4 Tổng hợp số lượng điểm úng ngập ứng với các trận mưa 44

từ 50 mm đến 100 mm trong 8 năm (từ năm 2003 đến 2010)

5 Bảng 1.5 Số liệu một số trận mưa lớn tại Hà Nội 1972-2013 45

6 Bảng 2.1 Các bản đồ đã sử dụng phục vụ tính toán tiêu thoát 63nước mưa

Bảng 2.2 Mực nước tại thời điểm lấy mẫu phân tích trong mưa,

7 cơn bão số 6, 8-9/8/2013 (mực nước cao và thấp tại sông Tô 66Lịch-Kim Ngưu, Lừ, Sét và các hồ)

8 Bảng 2.3 Đặc trưng của các kênh hở trong mô hình tính toán 71

9 Bảng 2.4 Yêu cầu số liệu đối với từng hố ga trong mô hình 76

10 Bảng 2.5 Yêu cầu số liệu đối với từng đoạn cống trong mô hình 77

11 Bảng 2.6 Lựa chọn kết nối MIKE MOUSE và MIKE 21 trong 82MIKE 21

12 Bảng 2.7 So sánh giá trị thực đo và tính toán trận ngập 10/2008 86

13 Bảng 2.8 So sánh độ ngập sâu tính toán và thực tế trận ngập 928/8-9/8/2013

14 Bảng 3.1 Kết quả phân tích chất lượng nước hồ và nước sông 94nội thành Hà Nội ở mức nước cao, trong lũ 09/8/2013

15 Bảng 3.2 Kết quả phân tích chất lượng nước hồ và nước sông 94nội thành Hà Nội ở mức nước cạn (09/9/2013)

16 Bảng 3.3 Các điểm phát úng trong trận úng ngập 31/10-1/11/2008 109

17 Bảng 3.4 Các điểm phát úng trong trận úng ngập 8/2013 112

Bảng 3.6 So sánh số liệu về thời gian ngập, độ ngập sâu giữa

đương (31/10/2008)

DANH MỤC CÁC HÌNH

1 Hình 1 Hệ thống tiêu thoát nước chính của nội đô hình nan quạt 16

4 Hình 1.3 Sơ đồ diễn tả các cấu thành tham gia vào tình trạng cân bằng của 22

hệ thống nước tại khu vực Buda Castle Hill

5 Hình 1.4 Các hướng lũ cục bộ cộng thêm lũ do nước chảy tràn bề mặt từ 24hai đập thượng lưu tấn công Băng Cốc tại trận lụt 11/2011

6 Hình 1.5 Biểu đồ tích xả nước tại 2 hồ chứa nước Bhumidol và Sirikit 25năm 2011

8 Hình 1.7 Biểu đồ thống kê ngập úng tại các quận trung tâm và các vùng 27ngoại vi, thành phố Hồ Chí Minh, 2003-2011

10 Hình 1.9 Sơ đồ nguyên nhân gây úng ngập cho thành phố Hồ Chí Minh 27

11 Hình 1.10 Ngập lụt phía đầu cầu Gia Lâm năm 1926 (ảnh trái) và ngập 31lụt bờ hữu Hồng của Hà Nội năm 1926 (ảnh phải)

14 Hình 1.13 Mặt cắt biểu diễn hướng dốc lưu vực Nhuệ-Đáy từ Tây sang 33Đông, thấp nhất là khu vực sông Tô Lịch

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

15 xả nước ngược trở lại Tô Lịch qua cửa Thanh Liệt, sau bão số 6; 9/8/2013 35(ảnh phải)

16 Hình 1.15 Hà Nội năm 1873 với khu vực Hoàng Thành, khu phố cổ, khu phố 35Pháp sau khi chiếm Hà Nội (trái) và Hà Nội năm 1935 (phải)

17 Hình 1.16 Sơ đồ mạng thủy lực hệ thống tiêu thoát nước mặt nội đô Hà Nội 36

18 Hình 1.17 Qui hoạch Hà Nội 1954-1960 (trái) và 1960-1964 (phải) 37Hình 1.18 Qui hoạch Hà nội đến năm 2010 (lập năm 1986) và được điều

19 chỉnh năm 1998 cho phát triển đến năm 2020 (trái) và Qui hoạch Hà Nội 39

2030 tầm nhìn 2050 (phải)

21 Hình 1.20 Xe bơm lưu động và ống mềm (màu trắng) thoát nước bằng bơm lưu 45động tại mương Phan Kế Bính-Linh Lang ngày 8/8/2013

22 Hình 1.21 Úng ngập tại Phan Kế Bính (trái); khách sạn Daewoo, Kim Mã 46(phải) ngày 8/8/2013

24 Hình 1.23 Một số các hoạt động trong khuôn khổ dự án thoát nước 47giai đoạn II Bê tông hóa mương Phan Kế Bính

25 Hình 1.24 Chỉ số DO dọc sông Đáy (biểu đồ trái), dọc sông Nhuệ (phải) 50

26 Hình 1.25 Diễn biến chỉ số BOD5 trong nước sông Tô Lịch (màu xanh) và 52sông Kim Ngưu (màu đỏ) 10 năm gần đây

27 Hình 1.26 Diễn biến chỉ số BOD5 trog nước Hồ Tây (màu xanh) và Hồ 52Bảy mẫu (màu đỏ) trong 20 năm qua

30 Hình 1.29: Sơ đồ khối quy trình tính toán, mô phỏng và kiểm nghiệm 62

33 Hình 2.3 Đo đạc cao độ mặt đường khu Đội cấn – Giang Văn Minh 67

35 Hình 2.5 Đo độ cao cửa phai Nguyễn Đình Chiều (hồ Bảy Mẫu) bằng sào 67công tác, ảnh bên trái-chụp ngày 18/11/2013

36 Hình 2.6 Đo chiều rộng bên trong mương ngầm bê tông Phan Kế Bính (đang 67trong quá trình thi công) bằng thước dây, ảnh bên phải-chụp 19/4/2012

38 Hình 2.8 Các đặc trưng thủy lực của mặt cắt tại sông Tô Lịch 72

40 Hình 2.10 Giao diện nhập các thông số mặt cắt kênh hở trong MIKE 73MOUSE

41 Hình 2.11 Cấu trúc cây cơ sở dữ liệu phục vụ tính toán tiêu thoát nước 74mặt nội đô Hà Nội

43 Hình 2.13 Mặt cắt dọc Ga Thăm trên tuyến cống trên phố Hoàng Cầu 75

44 Hình 2.14 Ví dụ về bảng dữ liệu thông tin các hố ga trong nội thành Hà Nội 76

45 Hình 2.15 Ví dụ về mạng lưới các hố ga, cống ngầm trên các tuyến trong 77

mô hình

47 Hình 2.17 Minh họa mặt cắt dọc cống thoát nước trên phố Triệu Việt Vương 78

48 Hình 2.18 Một phần của 2.704 tiểu vùng được phân chia trong khu vực tính toán 79

51 Hình 2.21 Hộp số liệu thông số của mô hình mưa dòng chảy cho từng tiểu vùng 80

57 Hình 2.27 Mực nước trong cống trước thời điểm mưa tại tuyến phố Triệu 85Việt Vương

58 Hình 2.28 Mực nước dâng cao tràn hố ga tại tuyến phố Triệu Việt Vương 86

59 Hình 2.29 Diện ngập lụt lớn nhất nội thành Hà Nội tại trận ngập năm 2008 87

6

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

61 Hình 2.31 Biểu đồ so sánh mức độ tương quan giữa giá trị vết lũ thực đo 89

và tính toán

62 Hình 2.32 So sánh mức độ tương quan giữa giá trị tính toán và thực đo 90của trận úng ngập tháng 8/8-9/8/2013

64 Hình 3.1 So sánh mức độ tương đồng, theo chuẩn thống kê MINITAB 97phiên bản 14.0

67 Hình 3.4 Chỉ số COD tại một điểm lấy mẫu với 3 mức nước khác nhau 99

68 Hình 3.5 Biểu đồ quan hệ giữa độ ô nhiễm và thời gian tích ô nhiễm 100

69 Hình 3.6 Tình trạng úng ngập, thời điểm 4.00 am, toàn bộ bắc nội đô 101

70 Hình 3.7.Tình trạng úng ngập, thời điểm 6:00 am, toàn bộ bắc nội đô 102

71 Hình 3.8 Tình trạng úng ngập, thời điểm 7:00 am, toàn bộ bắc nội đô 102

72 Hình 3.9 Tình trạng úng ngập, thời điểm 8:00 am, toàn bộ bắc nội đô 103

73 Hình 3.10 Tình trạng úng ngập, thời điểm 9:00 am, toàn bộ bắc nội đô 103

74 Hình 3.11 Ngập lụt phía Bắc nội đô Hà Nội, thời điểm 10:00 am, 10431/10/2008

75 Hình 3.12 Ngập lụt phía Nam nội đô Hà Nội, thời điểm 10:00 am, 10531/10/2008

76 Hình 3.13 Ngập lụt nội đô Hà Nội, thời điểm 12:55 pm, 31/10/2008 105

77 Hình 3.14 Nút Phan Kế Bính-Đội Cấn, thời điểm 4:00 am, 31/10/2008 106

78 Hình 3.15 Tuyến phố Đội Cấn chưa bị úng ngập tại thời điểm 1074:00 am, 31/10/2008

79 Hình 3.16 Mất cân bằng xảy ra tại thời điểm5:00 am tại giao cắt 107Phan Kế Bính-Đội Cấn

80 Hình 3.17 Úng ngập xảy ra trên toàn tuyến Đội Cấn, thời điểm 1086:00 am, 31/10/2008

81 Hình 3.18 Trạng thái gần tới hạn tại tuyến Cát Linh-Mương Hào Nam 1086:00 am, 31/10/2008

82 Hình 3.19 Úng ngập xảy ra trên toàn tuyến Cát linh, 7:00 am, 31/10/2008 109

83 Hình 3.20 Diễn tiến lượng mưa trong các ngày 8 và ngày 9/8/2013 111

84 Hình 3.21 Ngập lụt nội đô Hà Nội, thời điểm 1:00 pm, ngày 8/8/2013 111

85 Hình 3.22 Tình trạng MCB tiếp tục xảy ra tại cống liên kết mương Phan 112

Kế Bính-Đội Cấn, 1:00 pm, ngày 8/8/2013

86 Hình 3.23 Úng ngập trên tuyến Đội Cấn, 1:00 pm ngày 8/8/2013 113

87 Hình 3.24 Tình trạng MCB tại nút Trần Bình Trọng-Nguyễn Du, 1131:00 pm, ngày 8/8/2013

88 Hình 3.25 Úng ngập trên tuyến Nguyễn Du, 1:00 pm, ngày 8/8/2013 113

89 Hình 3.26 Điểm phát úng tại phố Trần Quốc Toản xuất hiện lúc 11411:30 am, 8/8/2013

90 Hình 3.27 Điểm phát úng tại phố Láng Hạ xuất hiện lúc 11511:00 am, 8/8/2013

91 Hình 3.28 Điểm phát úng tại phố Bạch Mai-Thanh Nhàn xuất hiện lúc 11511:15 am, 8/8/2013

92 Hình 3.29 Điểm phát úng tại tuyến Chùa Bộc-Tây Sơn-Tô Lịch xuất hiện 116lúc 11:00 am, 8/8/20133

93 Hình 3.30 Sơ đồ điểm phát úng, thời điểm 11:30 am, 8/8/2013 116

94 Hình 3.31 MCB dọc trên toàn tuyến Bạch Mai-Giải Phóng-Linh Đàm 117

95 Hình 3.32 Giao cắt Cát Linh-Hào Nam không bị MCB trong bão số 6 118

96 Hình 3.33 Tăng cường độ mưa lên 20%, MCB đã xảy ra tại cống Hào Nam 118

97 Hình 3.34 Thiếu liên kết, úng ngập xảy ra tại giao cắt Thanh Bảo-Nguyễn 119Thái Học

98 Hình 3.35 Úng ngập cục bộ do liên kiết kém:Trần Hưng Đạo, Lý Thường 120Kiệt vào tuyến cống thoát dọc Trần Bình Trọng

100 Hình 3.37 Diễn tiến nước đổ vào hồ Bảy Mẫu tại cửa phai Trần Bình Trọng 121

101 Hình 3.38 Ngưỡng tràn cửa phai Trần Bình Trọng 7:30 pm (8/8/2013) 122

104 Hình 3.41 Phân bổ nút mất cân bằng trên mạng lưới tiêu thoát nước 124

105 Hình 3.42 Liên kết Đội Cấn–Phan Kế Bính, 7:00 am (31/10/08) 130

106 Hình 3.43 Úng ngập trên phố Đội Cấn, MCB liên kết, 7:00 am (31/10/08) 131

107 Hình 3.44 Trạng thái tại liên kết Đội Cấn–Phan Kế Bính, 7:00 am 131(31/10/08), sau khi áp dụng KB 29 nút MCB

108 Hình 3.45 Úng ngập trên phố Đội Cấn, sau áp dụng KB 29 nút MCB tại tuyến 132liên kết, 7:00 am (31/10/08)

109 Hình 3.46 Úng ngập được cải thiện tại Đội Cấn, 10:00 am (31/10/2008) 132

110 Hình 3.47 Úng ngập tại giao cắt Cát Linh - Hào Nam, 10:00 am (31/10/200) 132

111 Hình 3.48 Úng ngập tuyến Minh Khai-Bạch Mai-Kim Ngưu, 10:00 am 133(31/10/2008)

111 Hình 3.49 Úng ngập của mạng tiêu thoát hiện tại, mưa xảy ra tương đương 134thời điểm 7:00 am (31/10/2008), không áp dụng kịch bản thoát úng

112 Hình 3.50 Úng ngập của mạng tiêu thoát hiện tại, mưa xảy ra tương 134đương thời điểm 7:00 am (31/10/2008), áp dụng kịch bản 29 nút MCB

113 Hình 3.51 Úng ngập của mạng tiêu thoát hiện tại, mưa xảy ra tương đương 135thời điểm 10:00 am (31/10/2008), không áp dụng kịch bản thoát úng

114 1 Hình 3.52 Úng ngập của mạng tiêu thoát hiện tại, mưa tương 135đương thời điểm 10:00 am (31/10/2008), áp dụng giải pháp 29 nút MCB

115 Hình 3.53 Úng ngập mạng tiêu thoát hiện tại, mưa tương đương thời điểm 13611:00 am (31/10/2008), không kịch bản MCB

116 Hình 3.54 Úng ngập cho mạng tiêu thoát hiện tại, mưa tương đương thời 136điểm 11:00 am (31/10/2008), sau kịch bản 29 nút MCB

8

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

118 Hình 3.56 Úng ngập trên tuyến Đội Cấn, 1:00 pm (8/8/2013), không kịch 140bản nút MCB

119 Hình 3.57 Cải thiện úng ngập trên tuyến Đội Cấn, 1:00 pm (8/8/2013), có 149kịch bản nút MCB

120 Hình 3.58 Úng ngập tràn lên mặt phố Thanh Bảo-Trịnh Hoài Đức, 1:00 140

130 Hình 3.68 Úng ngập nội đô, 1:00 pm (8/8/2013), không giải pháp 11 nút MCB 145

131 Hình 3.69 Úng ngập nội đô tại thời điểm 1:00 pm (8/8/2013), sau giải 145pháp 11 nút MCB

132 Hình 3.70 Úng ngập nội đô, 1:00 pm (8/8/2013), không giải pháp 11 nút MCB 146

133 Hình 3.71 Úng ngập nội đô, 1:00 pm (8/8/2013), sau giải pháp 11 nút MCB 146

134 Hình 3.72 Úng ngập năm 2008, tuyến Đội Cấn, 10:00 am (31/10/2008) 147

135 Hình 3.73 Ứng dụng giải pháp 11 nút MCB, cải thiện úng ngập tuyến Đội 147Cấn, 10:00 am (31/10/2008)

136 Hình 3.74 Ứng dụng giải pháp 29 nút MCB, hết úng ngập trên toàn tuyến, 14710:00 am (31/10/2008)

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 lạicho con cháu muôn đời sau hiểu được những gì mà Ông đã lựa chọn cho mộtThủ Đô muôn đời Những điều mộc mạc và tưởng như đơn giản ấy: “rộng màbằng phẳng”…“cao và sáng sủa”…“dân cư không khổ, thấp tối tăm, muôn vậthết sức tươi tốt phồn thịnh”, v.v chính là sự tổng hợp một cách sinh động củanhững 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 kinhĐông, được che chắn ở phía Bắc - Đông Bắc bởi dãy Tam Đảo và ở phía Tâybằng dãy núi Ba Vì - Tản Viên, Thủ Đô Hà Nội nằm trong vùng tam giác châuthổ sông Hồng, là một trong những vựa lúa quan trọng nhất trong suốt chiều dàilịch sử của nước Việt từ hàng ngàn năm nay, là trung tâm địa chính trị quantrọng 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 vàitrò là trung tâm của các hoạt động giữ nước và dựng nước, Hà Nội đã không chỉchứng kiến những thời kỳ phát triển thịnh vượng mà còn là chứng tích của nhiềugiai 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 vớimật độ rất cao Trong khi mật độ dân số trung bình của Hà Nội là 1.979người/km², thì tại một số quận, thí dụ như quận Đống Đa, mật độ dân số lên tới35.341 người/km² [10, 42] Hơn thế nữa, trong bối cảnh hội nhập và mở cửahiện 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 nóiriêng đã cho thấy những tiêu chuẩn về một môi trường xanh, sạch đẹp như LýCông Uẩn đặc tả trong Chiếu dời Đô đã bị vượt quá giới hạn, một trong nhữngbiểu hiện đó chính là tình trạng mất cân bằng trầm trọng về môi trường nướccủa Thủ Đô

Chỉ từ đầu năm 2008 đến giữa năm 2010, UBND thành phố Hà Nội đã phêduyệt cho 223 dự án nhà cao tầng (từ 9 tầng trở lên) được phép đầu tư Điều nàygiải thích một phần lý do tăng dân số tại bốn quận nội thành Hà Nội cũ trướcnăm 1995, từ khoảng 80 vạn người lên tới hơn 1,5 triệu người tại nội thành hiệnnay Trong khi đó, các quy hoạch cải tạo, nâng cấp các hệ thống hạ tầng kỹ thuậttrong các giai đoạn khác nhau đã không đạt tính kế thừa, do đó không phát huyđược hiệu quả đầu tư và đây được coi là những nguyên nhân cơ bản làm chomôi 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 tạomạng lưới tiêu thoát nước ngắn, trung và dài hạn, cho đến thời điểm này, khuvực 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 mốiđược cải tạo nhằm mục đích thoát úng với lượng mưa 172 mm/2ngày, tình trạngúng ngập của nội đô Hà Nội vẫn có nhiều diễn tiến phức tạp, khó kiểm soát vàdiễn ra nhiều lần hàng năm [42]

Bên cạnh việc úng ngập chưa được kiểm soát, tình trạng ô nhiễm môitrường nước của nội đô Hà Nội cũng đang là vấn đề nan giải: “Hệ thống thoátnước 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 hệthống thoát nước thải riêng với thoát nước mưa Hiện nay, Hà Nội cũ mới xử lýđược khoảng 5% nước thải sinh hoạt, còn lại 95% nước thải sinh hoạt đô thị chỉđược xử lý sơ bộ rồi đổ thẳng vào sông, hồ, gây ra ô nhiễm trầm trọng môitrường nước mặt” [15].

Đã có nhiều nghiên cứu khoa học và thực tiễn trong việc giải quyết tìnhtrạng ngập úng và ô nhiễm môi trường nước Hà Nội, song chưa có những giảipháp thực sự hữu hiệu, kết hợp được việc giải quyết tình trạng úng ngập và giảmthiểu 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 chứcđầy 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 cânbằng 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

a Thiết lập bộ cơ sở dữ liệu phục vụ nghiên cứu hệ thống cân bằng nước

mặt khu vực nội đô Hà Nội

b Xác định các yếu tố quyết định trong hệ thống cân bằng nước mặt của khu

vực nghiên cứu, chỉ ra những nguyên nhân làm mất cân bằng hệ thống vềchất 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 vàcải thiện ô nhiễm cho môi trường nước của Thủ Đô, từ cục bộ đến tổngthể

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, HoànKiếm, Hai Bà Trưng, Đống Đa và một phần các quận Tây Hồ, Cầu Giấy, ThanhXuân và Hoàng Mai, cùng với toàn bộ hệ thống tiêu thoát nước từ hệ thống sôngtiêu hở, hệ thống cống ngầm cho đến hệ thống hồ điều hòa cũng như các cơ sở hạtầng là phạm vi không gian của nghiên cứu

Nghiên cứu tiến hành trên cả hai phương diện của hệ thống cân bằngnước 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 bịảnh 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 vàphát 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:

d Nghiên cứu tổng quan về hệ thống cân bằng nước, những vấn đề úng ngập

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

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

mặt nội đô Hà Nội

f Ứng dụng công cụ mô phỏng để nghiên cứu mất cân bằng về lượng của

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

h Nghiên cứu và xác định nguyên nhân úng ngập, tìm ra quy luật giữa mất

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 khuvực 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 thốngcống 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 vàhiệu quả cao trong việc mô phỏng cũng như sử dụng các kết quả này để xâydựng 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 dụngvới MIKE FLOOD kết hợp từ các mô đun MIKE URBAN, MIKE 11 và MIKE21) được thiết lập theo các quy trình mô phỏng đã hiệu chỉnh và kiểm nghiệmtrên bộ cơ sở dữ liệu đo đạc của hệ thống cân bằng nước mặt tương ứng Nhữngphân 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 điểmphát 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 củamạng tiêu thoát nước nội đô; chính tình trạng mất cân bằng cục bộ từ các nút mấtcân 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 giảipháp kỹ thuật tác động lên các nút mất cân bằng chủ đạo của hệ thống nhằm cảithiện tình trạng úng ngập cho khu vực nội đô Các kết quả mô phỏng đã chỉ ra tínhkhả thi của giải pháp này, từ đó dẫn đến kết luận rằng giải pháp đề xuất có thể đượcứng dụng trong thực tiễn phòng chống úng ngập hiện tại, cũng như góp phần vàocông 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 phápúng ngập mang tính thực tiễn, góp phần cải thiện tình trạng úng ngập và ô nhiễmmôi 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 hệthống 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 thốngnước mặt nội đô, cũng như tổng quan về các phương pháp mô hình mô phỏngthường sử dụng trong nghiên cứu ngập lụt đô thị

Chương 2 trình bày chi tiết về phương pháp, công cụ nghiên cứu, quy trìnhxây dựng bộ cơ sở dữ liệu, cũng như quá trình hiệu chỉnh, kiểm định mô hình môphỏng 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 tíchmẫu nước mặt tại một số thủy vực đặc trưng của hệ thống nước mặt nội đô ởmức 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 khuvực nội đô Hà Nội tại các trận lũ tiêu biểu năm 2008 và năm 2013, chương 3 đisâu 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 tiếpgây ô nhiễm và ngập úng; tiếp theo, chương 3 đề xuất các giải pháp khắc phụctình trạng mất cân bằng cục bộ, từng bước cải thiện tình trạng ngập úng cho hệthống 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 quạtnày 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: hệthống sông tiêu, hồ điều hòa, mương hở, cống ngầm, v,v thoát nước thải vànước mưa từ trung tâm nội đô ra các sông tiêu, liên kết với nhau, tạo nên một hệthống 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:

a Mất cân bằng giữa hệ thống thoát nước mặt nội đô với hệ thống nước bênngoài 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)

b Đã tồn tại những nút mất cân bằng mà tại đó, sự liên kết có thể giữa cáctuyến dọc với các tuyến ngang, giữa các tuyến cống với hồ điều hòa, giữa cáctuyến 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 nênúng 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 vớimục tiêu xác định các điểm mất cân bằng cục bộ của hệ thống; từ đó, đề xuất cácgiải pháp, giải quyết từng bước tình trạng úng ngập của khu vực nội đô, từ cục

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

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 nướctại một hệ thống cụ thể trong một khoảng thời gian xác định, phải bằng hiệu sốgiữa lượng giáng thủy vào hệ thống với lượng nước thoát ra khỏi chính hệ thốngđó

Cân bằng nước một hệ thống là kết quả của bốn pha trạng thái mà một chutrình 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 chấtcủa các vấn đề về nước được hệ thống qui định, cân bằng một hệ thống nước làcác 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 tínhkhông gian (spatial) và thời gian (time) [70].

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

Trong đó:

: Lượng nước cuối cùng tồn đọng lại sau các quá trình thủy văn (mm)

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

: Lượng nước thoát bốc hơi tại ngày i

:Lượng nước thấm vào hệ thống biên

: Dòng chảy ngầm thoát khỏi hệthống trong ngày thứ i [66]

Như vậy, hệ thống cơ sở có thể là một hệ đơn, có thể là hệ thống lớn, tổnghợp 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 đọng của một lượng nước có sẵn Đối với một hệ

thống nước mặt nội đô, do tình trạng bị bê tông hóa trên diện rộng nên đại diện cholượng 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 kếtquả của lượng nước đưa vào hệ thống vượt quá khả năng thấm hay tiêu thoát tạichỗ của hệ thống đó Đối với một hệ thống tiêu thoát nước mặt nội đô, dòng chảytràn xảy ra khi mưa lớn, trong khi khả năng thoát nước của hệ thống hố ga, cốngdẫn 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 dướimặt 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, đâychính là toàn bộ hệ thống gom nước từ các hố ga cho đến hệ thống cống ngầmkhu 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 đưanước tới hệ thống tiêu thoát khu vực (hệ thống cống) hay tới hệ thống tiêu thoáttổng thể (sông tiêu) hoặc là sự kết hợp của cả hai hệ thống này [70]; đối với hệthống tiêu thoát nước mặt nội đô, Q2 và Q3 có thể được coi là một Đặc biệt, tạicác hệ thống cân bằng nước mặt nội đô, do tính chất bê tông hóa cao của hệthống 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 chungdẫn 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 củalưu vực Chao Phraya-Băng Cốc [62]), thì một hệ thống nước mặt nội đô đượcxây dựng và phát triển theo những thiết kế nhất định, luôn phải là một hệ thốngcân bằng động trong các chu trình thủy động lực với các điều kiện cụ thể vềlượng 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 củamột hệ thống nước mặt chính, đã làm cho hoạt động chung của hệ thống nướcmặt 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 lướitiêu 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 HàNội sau dự án giai đoạn I phải tiêu thoát được lượng mưa 172 mm/2ngày), tứcđạt 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 trongvận hành động về lượng (xem xét khả năng tiêu thoát úng ngập cho nội đô trongđiều kiện úng ngập nhất định) hay về chất (đánh giá và tác động để giảm thiểumức độ ô nhiễm của hệ thống nước mặt nội đô trong úng ngập) Để làm rõ hơncác phân tích này, nghiên cứu sẽ trình bày một số trường hợp cụ thể dưới đâynhư cân bằng trong việc cung cấp nước cho một hệ thống nội đô, ở đó có sự tồntại của các công trình cổ nằm ngầm đôi khi chưa được phát hiện, do đó phát sinhthêm các tham số phụ trong tính toán như tại khu vực đồi Buda Hill, Budapestcủa Hungary [61] Tiếp theo là trường hợp cân bằng lưu vực Chao Phraya củaThái 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 màtính 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

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

Hình 1.3 Sơ đồ diễn tả các cấu thành tham gia vào tình trạngcân 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 vàlịch sử của thủ đô Budapest, Hungary; ở đây có hệ thống tiêu thoát nước kháphức tạp, đan xen giữa các hệ thống mới và các hệ thống được xây dựng từ nhiềuthế kỷ trước Để đánh giá cân bằng của hệ thống nước tại đây, phương trình cânbằng nước đã được sử dụng đầy đủ các thành phần tại Biểu thức (1.1), bao gồmgiáng thủy, bốc hơi, thẩm thấu, dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm trong hệ thốngcống,v.v các tác giả đã xem xét đến các sự cố của hệ thống cống và hệ thốngthoát nước thải tại khu vực Việc phát hiện thêm những kênh tiêu thoát nước cổkhông 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

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 bổsung các yếu tố mới trong chiến lược kế hoạch hóa việc cung cấp nước cho pháttriển đô thị trên nền một hệ thống cung cấp nước có sẵn Kết quả là một hệ thốngcác 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 khuvực tương tự tại Hungary [61]

Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, hệ thống nước mới được nghiên cứu mangtính trung bình theo mùa và năm, phục vụ chủ yếu cho những lưu ý đặc thù khi quyhoạch 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 tínhtoán giải tích, chưa mô tả được tính chất động theo thời gian của các yếu tố trong hệthống nước xem xét cũng như tính liên kết của các mạng lưới thành phần (dòng chảytràn 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 vựcChao

Phraya (Bangkok) [62] là một thí dụ điển hình về mối quan hệ giữa cân bằng đạtđược tại các yếu tố cấu thành riêng biệt, trong khi đó hệ thống tổng thể lại khôngđạt 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 đôBangkok đã trải qua một trận lụt lịch sử chưa từng có trong nửa thế kỷ qua Tổngcộng hơn 30 tỉnh và thành phố bị ngập, chiếm 2/3 diện tích của Thái Lan Trậnlụt lịch sử này đã gây hậu quả nghiêm trọng cho 4,039,459 hộ dân cư với13,425,869 triệu người, trong đó có 2,329 căn nhà bị phá hủy hoàn toàn, làmchết 657 người và 3 người bị mất tích [67] World Bank đã ước tính tổng thiệthại do trận lụt năm 2011 gây ra cho Thái Lan là 1,440 tỉ Bạt (tương đương 3,5 tỷUSD), chủ yếu do các khu công nghiệp bị ngừng sản xuất Riêng ngành du lịchnổi 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 chảytràn bề mặt từ hai đập thượng lưu tấn công Bangkok tại trận

Do khí hậu nhiệt đới đặc trưng gió mùa với cường độ mưa cao hơn 35% sovới trung bình do tác động của La Nina, mưa lớn đã làm nước dâng cao tại cáccon kênh, sông thoát nước gây ra lũ tràn và ngập tại lưu vực liên quan trên diệnrộng [20]; trong lúc đó, mưa lớn đã làm cho nước về bất thường tại 2 hồ chứanước rất lớn tại miền Bắc của lưu vực Chao Phraya là Bhumibol (tỉnh Tak) vàSirikit (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 đãtích đủ, lượng lũ về hồ sẽ được xả vào các sông Ping và sông Nan thuộc tỉnhNakhon Sawan, qua Bangkok rồi đổ thẳng ra vịnh Thái Lan Tuy nhiên, do thiếucác thông tin cảnh báo và thiếu quy trình vận hành hợp lý, đặc biệt là việc xemxét 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 buộcphải xả lũ các hồ để đảm bảo an toàn công trình Lượng xả cực đại đạt 77 triệu

m3/ngày, vượt 17 lần so với các tháng 6 và 7 cùng năm [20] trong khi toàn bộ khuvực 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 đậpSirikit cũng vậy, trong khi lượng mưa đổ về hồ rất lớn thì hồ đã chứa tới 80% dungtích, cao gấp 2 lần cùng kỳ năm trước; kết quả đã phải xả khoảng 55 triệu m3/ngàytrong 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 thấymột thực tế là trong khi lượng nước có sẵn SW0 đang gây úng ngập cục bộ thìlượng mưa Rday lại tiếp tục được đưa vào hệ thống Trầm trọng hơn nữa, mộttổng 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 lưuvực Chao Phraya có nhiều mương, kênh, rạch hở dày đặc nên lượng nước chảyngầm không phải là yếu tố gây mất cân bằng nghiêm trọng nhất cho hệ thống

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 từviệc 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-DenmarkHydrological Institute) xây dựng bộ CSDL số hóa kèm theo tư vấn về giải phápdựa trên công nghệ mô hình mô phỏng thủy động lực (Hình 1.6), nhằm tổ chứclại mạng lưới tiêu nước, từ việc xả lũ hợp lý từ thượng nguồn đến các biện phápbơm, 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

Thành phố Hồ Chí Minh có diện tích 2.095,6 km2,, mật độ dân số 3,731người/km2 trên tổng số gần 8 triệu người, hiện là trung tâm công nghiệp vàthương mại lớn nhất của cả nước [34]

Trong những năm qua, tình hình úng ngập tại thành phố Hồ Chí Minh đãdiễn 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 mớicác công trình cấp thoát nước, số điểm úng ngập đã giảm còn 31 điểm trong năm2011; tuy nhiên, tình trạng mở rộng phạm vi úng ngập tại khu vực ngoài nội đôtăng 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 nướcmặt của t/p Hồ Chí Minh chỉ vào khoảng 20%, tương đương với diện tíchkhoảng 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 Chốngngập của UBND t/p Hồ Chí Minh đã chỉ ra rằng sự tương quan giữa mực nướcdâng cao nhất đo hàng năm tại các trạm Biên Hòa, Phú An và Thủ Dầu Một vớilưu 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 thủyđiện Trị An Các số liệu quan trắc thủy văn trong hệ thống sông Đồng Nai, sôngSài Gòn và trạm Vũng Tàu thời kỳ 1990-2007 đã cho thấy trong khi mực nướctại Vũng Tàu không tăng và mực nước tại Biên Hòa chỉ tăng nhẹ thì mực nướctại Phú An và Nhà Bè đã tăng đáng kể, với tốc độ lần lượt là 1,45 cm/năm và1,17 cm/ năm [12] Những số liệu này đã dẫn tới kết luận rằng xu hướng ngập lụtgia tăng tại thành phố Hồ Chí Minh có thể không gắn với hiện tượng biến đổi khíhậu 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 biểndâng sẽ xảy ra trong những năm 2050 là tiềm tàng [24], thì hiện tại, các dự án cũngnhư 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 hệthống thoát nước mặt mà đây có thể là một trong những nguyên nhân gây úng ngậpcho thành phố này Vấn đề mất cân bằng trong chế độ quản lý vận hành giữa hệthống tiêu thoát nước của thành phố với các hồ ở thượng lưu cũng có thể là mộtnguyên nhân gây úng ngập; nếu coi rằng sự ngập úng do triều cường có thể giảiquyết được một cách riêng biệt nhờ vào các giải pháp kỹ thuật thuần túy thì vấn đềcòn lại là: hệ thống thoát nước mặt nội đô thành phố Hồ Chí Minh có giúp được chothành phố này thoát được úng ngập khi có mưa? Cụ thể hơn nữa, nếu hệ thống nàyhoạt 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 lướitiêu thoát nước tại thành phố Hồ Chí Minh.

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

1.2 HỆ THỐNG CÂN BẰNG NƯỚC THỦ ĐÔ HÀ NỘI

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 1.926người/km2 [42, 43] Tỷ suất tăng dân số bình quân/năm của Hà Nội cho thời kỳ1999-2009 trung bình 2% Tăng bình quân 2,1%/năm (2000-2008), trong đó thànhthị 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, vùngtrung du, đồi núi thấp và cả vùng núi cao Cao độ địa hình biển đổi từ Tây Bắcxuống Đông Nam và từ Tây sang Đông [10] Vùng đồng bằng của Hà Nội nằmdọc theo hạ lưu sông Hồng, sông Đáy và sông Tích, chiếm khoảng 54,5% diệntích 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, tậptrung 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, vùngcao 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%, tậptrung 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 trưngbởi 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 kiếntạo ở Hưng Yên, gồm sét mùn phủ lên lớp kiến tạo ở Phú Thọ - Vĩnh Phúc với các trầmtích 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 từtháng 5 đến tháng 10 chiếm hơn 80% tổng lượng mưa cả năm Lượng bốc hơihàng tháng trong khoảng từ 60-10 mm, trong khi nhiệt độ hàng tháng dao độngtrong 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 rakhỏi thành phố ở khu vực huyện Phú Xuyên tiếp giáp Hưng Yên Độ dốc lòngsông nhỏ, đoạn từ Lào Cai đến Việt Trì có độ dốc i = 23 cm/km (0,00023), trongkhi 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 PhúThọ, 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 dòngchảy sông nên trong mùa mưa, nước ngập úng không có điều kiện tiêu thoát trựctiếp 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 vàsông Nhuệ; các con sông này đóng vai trò là những thành tố quan trọng trong một hệthống 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 úngngập 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 trongnước lụt, người người phải đi lại bằng thuyền; tháng 6 âm lịch năm 1630, sôngNhị Hà (sông Hồng) tràn bờ và làm ngập nhiều phố phường, nước tràn vào nhưthác 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 đãđược 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 nhằmbảo 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 Nộivào năm 1831[73]

Hình 1.10 Ngập lụt phía đầu cầu Gia Lâm năm 1926 (a) vàngập lụt bờ hữu Hồng của Hà Nội năm 1926 (b) [31]Chỉ riêng với hệ thống sông Hồng, trong 70 năm (1902-1972), tại Hà Nội đã

có 9 năm nước lũ cao hơn 12,0 m, 12 năm có lũ cao hơn 11,5 m, 38 năm có lũ caohơn 10,5 m, đôi khi có ngọn lũ cao hơn mức báo động 2 kéo dài đến 10 ngày (Hình1.10) 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 ravào 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 sửdụng, đập thủy điện Hòa Bình đã phát huy được tối đa khả năng cắt lũ cho hạlưu, 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 hệthống phân chứa lũ Vân Cốc, Phúc Thọ chảy qua Hà Nội, Hà Nam, Ninh Bình vàNam Định trước khi đổ ra biển Đông tại cửa Đáy (Hình 1.11) Sông Nhuệ có độdài 76 km bắt đầu từ cống Liên Mạc (Bắc Từ Liêm), chảy qua các quận Bắc TừLiêm, 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 lưuquan 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 sôngNhuệ 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 dốctheo hướng Tây-Đông (Hình 1.12, Hình 1.13), khu vực hữu Đáy có cao độ khoảng9,5 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 sôngNhuệ 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 cânbằng đạt được nhờ vào việc thoát nước tự nhiên trên cơ sở các con sông thoát lũtheo hướng Bắc - Nam Nhằm mục đích ngăn tác động bất lợi của lũ trên hệthống sông Nhuệ - Đáy có thể tràn vào hệ thống thoát nước nội đô, đập ThanhLiệt 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 lớnhơn 4,5 m và mở ra cho nước sông Tô Lịch tiêu ra sông Nhuệ khi mực nướcsông 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 lượngnước 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 mựcnước sông Nhuệ dâng cao, nhằm giúp sông Nhuệ tiêu bớt úng sang sông Hồng quatrạm 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 sôngNhuệ; các hồ Đồng Sương, Văn Sơn, Miễu (Chương Mỹ), Quan Sơn (Mỹ Đức) vàKèo 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 lêncao hơn một mét so với mực nước sông Tô Lịch trong nội đô Nước lên nhanhkhiến bờ hữu sông Nhuệ thuộc xã Tây Tựu (Từ Liêm) bị tràn khoảng 600 m vàochiều 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 vàtuyến 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 nộithành, công ty thoát nước đã phải đưa ra phương án mở cống Thanh Liệt, xảnước 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] Bêncạnh việc xả nước sông Nhuệ ra sông Tô Lịch, các công ty thủy lợi cũng đã vậnhành 193 trạm bơm với hơn 1.000 máy để tiêu úng ngập cho thành phố, đồngthời đóng cửa điều tiết Cầu Đìa (Từ Liêm), Cầu Sa (Hoài Đức) để hạn chế nướcvùng 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

Như đã trình bày ở Mục 1.2.3, hệ thống cân bằng nước mặt nội đô Hà Nộinằm trọn trong lưu vực Tô Lịch Đây là một hệ thống kín với 2 điều kiện biênliên kết với hệ thống ngoài là trạm bơm Yên Sở và đập Thanh Liệt (hệ thốngNhuệ - Đáy) Sau khi hoàn thành dự án cải tạo môi trường thoát nước Hà Nộigiai đoạn I, hệ thống tiêu thoát nước nội đô được đảm bảo theo thiết kế, tiêuthoát 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 tiêuchí hiện đại trong các qui hoạch của Ernest Hébrard (1923-1933) [72], Louis GeorgePineau (1930-1937) hay Henri Cerrutti (1937-1943) (Hình 1.15a), theo đó, một HàNội với không gian đô thị hiện đại và khoa học, mang tính văn hóa đã được quyhoạch để phát triển Song song với việc phát triển đô thị, người Pháp đã xây dựngmột 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,