Nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và đô thị hóa đến khả năng tiêu thoát nước của hệ thống thoát nước khu vực thanh xuân bắc trung văn lưu vực tả sông nhuệ hà nội

i LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu, đến nay luận văn thạc sĩ với đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và đô thị hóa đến khả năng tiêu thoát nước của hệ thống thoát

i

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu, đến nay luận văn thạc sĩ với đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và đô thị hóa đến khả năng tiêu thoát nước của hệ thống thoát nước khu vực Thanh Xuân Bắc – Trung Văn lưu vực tả sông Nhuệ Hà Nội” đã được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi với sự nỗ lực của bản thân và

sự giúp đỡ, chỉ bảo, hướng dẫn nhiệt tình của các thầy giáo, cô giáo, của các đồng nghiệp và bạn bè Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo Trường Đại học

Thủy lợi đã truyền đạt kiến thức, phương pháp nghiên cứu trong quá trình học tập, công tác Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Lê Văn Chín, người hướng

dẫn khoa học trực tiếp đã tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn này Xin chân thành cảm ơn: Ban giám hiệu, các thầy cô giáo trong Khoa Kỹ thuật Tài nguyên nước, các thầy giáo cô giáo các bộ môn – Trường Đại học Thủy lợi

Cuối cùng, tác giả xin cảm tạ tấm lòng của những người thân trong gia đình,

bạn bè, đồng nghiệp đã tin tưởng động viên và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học

tập và hoàn thành luận văn này Quá trình làm luận văn đã giúp tác giả hệ thống lại

kiến thức đã được học và đồng thời biết cách áp dụng lý thuyết vào thực tế, phát triển các kỹ năng trong việc nghiên cứu khoa học ứng dụng Đây là luận văn có sử dụng tài

liệu thực tế về hệ thống thoát nước và vận dụng tổng hợp các kiến thức đã học Mặc dù

đã cố gắng nhưng trong luận văn, tác giả vẫn chưa thể giải quyết hết các trường hợp có

thể xảy ra, giới hạn nghiên cứu còn hạn hẹp Bên cạnh đó trong quá trình tính toán và

lựa chọn phương án thiết kế, do còn hạn chế về kiến thức và hiểu biết thực tế nên trong

luận văn này không tránh khỏi những sai sót Do đó, tác giả kính mong nhận được sự thông cảm, chỉ bảo, góp ý chân tình của các thầy cô giáo, giúp cho luận văn được hoàn

chỉnh hơn Từ đó kiến thức chuyên môn cũng được hoàn thiện và nâng cao Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả

Phạm Tuấn Đức

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tên tác giả: Phạm Tuấn Đức

Học viên cao học: CH20CTN

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Lê Văn Chín

Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và đô thị hóa đến khả năng tiêu thoát nước của hệ thống thoát nước khu vực Thanh Xuân Bắc – Trung Văn lưu vực tả sông Nhuệ Hà Nội”

Tác giả xin cam đoan đề tài luận văn được làm dựa trên số liệu, tư liệu thu thập được từ nguồn thực tế…để tính toán ra các kết quả, từ đó mô phỏng đánh giá đưa ra nhận xét Tác giả không sao chép bất kỳ một luận văn hoặc một đề tài nghiên cứu nào trước đó

Hà nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả

Phạm Tuấn Đức

iii

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

3.1.Đối tượng nghiên cứu 2

3.2.Phạm vi nghiên cứu 2

4 Các tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2

4.1.Cách tiếp cận……… 2

4.2.Phương pháp nghiên cứu……… ……….2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và đô thị hóa đến khả năng làm việc của hệ thống thoát nước trên thế giới 4

1.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến khả năng làm việc của hệ thống thoát nước trên thế giới……… 4

1.1.1.1.Biến đổi khí hậu ………4

1.1.1.2.Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến khả năng làm việc của hệ thống thoát nước trên thế giới 5

1.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của đô thị hóa đến khả năng làm việc của hệ thống thoát nước trên thế giới 8

1.1.2.1.Đô thị hóa trên thế giới 8

1.1.2.2.Ảnh hưởng của đô thị hóa đến khả năng làm việc của hệ thống thoát nước trên thế giới……… 11

1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và đô thị hóa đến khả năng làm việc của hệ thống thoát nước ở Việt Nam 12

1.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến khả năng làm việc của hệ thống thoát nước ở Việt Nam 12

1.2.2 Ảnh hưởng của đô thị hóa đến khả năng làm việc của hệ thống thoát nước ở Việt Nam……… 15

iv

1.2.2.1.Đô thị hóa ở Việt Nam 15

1.2.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của đô thị hóa đến vấn đền tiêu thoát nước ở Việt Nam17 CHƯƠNG II: CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19

2.1 Cách tiếp cận 19

2.2 Phương pháp đánh giá ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và đô thị hóa 19

2.3 Mô hình SWMM 19

2.3.1 Giới thiệu về mô hình 19

2.3.2 Khả năng của phần mềm SWMM: 20

2.3.3 Cơ sở lý thuyết của mô hình SWMM 21

2.3.3.1 Tính toán lượng mưa hiệu quả 21

2.3.3.2 Tính toán thấm, lượng thấm 22

2.3.3.3 Tính toán dòng chảy mặt 24

2.3.4 Dữ liệu đầu vào mô hình mưa SWMM 25

2.3.4.1 Dữ liệu đầu vào 25

2.3.4.2 Hiện trạng tuyến cống 25

2.3.4.3 Lượng mưa 25

CHƯƠNG III: ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ ĐÔ THỊ HÓA ĐẾN KHẢ NĂNG TIÊU THOÁT NƯỚC CỦA HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC KHU VỰC THANH XUÂN BẮC – TRUNG VĂN, LƯU VỰC TẢ SÔNG NHUỆ 28

3.1.Mô tả khu vực Thanh Xuân Bắc - Trung Văn 28

3.1.1.Điều kiện tự nhiên 28

3.1.1.1.Vị trí địa lý 28

3.1.1.2.Địa lý, địa hình và địa mạo 28

3.1.1.3.Khí tượng 29

3.1.1.3.Thủy văn, sông ngòi 32

3.1.2 Điều kiện kinh tế xã hội và phương hướng phát triển kinh tế xã hội 34

3.1.2.1.Dân cư 34

3.1.2.2 Tình hình sử dụng đất của khu vực Thanh Xuân Bắc - Trung Văn 34

3.1.2.3.Phương hướng phát triển kinh tế, xã hội trong vùng 35

3.1.3 Hiện trạng hệ thống thoát nước khu vực Thanh Xuân Bắc - Trung Văn 39

3.1.3.1 Hiện trạng hệ thống thoát nước 39

v

3.1.3.2 Tình trạng ngập úng trong vùng 40

3.1.3.3 Nguyên nhân gây ngập úng 42

3.1.3.4 Công tác quản lý, duy tu, duy trì, điều hành hệ thống thoát nước 43

3.2.Mô phỏng hệ thống thoát nước khu vực Thanh Xuân Bắc – Trung Văn lưu vực tả sông Nhuệ 44

3.2.1 Tính toán, lựa chọn mô hình mưa thiết kế 44

3.2.1.1 Tần suất mưa 44

3.2.1.3 Mô hình mưa thiết kế 45

3.2.2 Xây dựng mô hình SWMM 46

3.2.2.1 Điều kiện ban đầu của mô hình: 46

3.2.2.2 Điều kiện biên của mô hình 46

3.2.2.3 Mô phỏng lưu vực thoát nước 48

3.3 Sửa lỗi và hiệu chỉnh mô hình 52

3.4 Đánh giá ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến khả năng tiêu thoát nước của hệ thống thoát nước khu vực Thanh Xuân Bắc – Trung Văn 56

3.5 Đánh giá ảnh hưởng của đô thị hóa đến khả năng tiêu thoát nước của hệ thống thoát nước khu vực Thanh Xuân Bắc – Trung Văn 57

3.6 Tính toán dự báo yêu cầu thoát nước của khu vực để ứng phó với biến đổi khí hậu và đô thị hóa 58

3.6.1 Tính toán, lựa chọn mô hình mưa thiết kế 58

3.6.1.1 Tần suất mưa 58

3.6.1.2 Xây dựng đường quan hệ DDF 59

3.6.1.3 Mô hình mưa thiết kế 59

3.6.2 Kết quả mô phỏng 60

CHƯƠNG IV: ĐỀ XUẤT CÁC BIỆN PHÁP CẢI TẠO, NÂNG CẤP HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC KHU VỰC THANH XUÂN BẮC – TRUNG VĂN 65

4.1 Giải pháp quy hoạch hệ thống thoát nước 65

4.2 Giải pháp công trình, cải tạo, nâng cấp hệ thống thoát nước 67

4.2.1 Đề xuất phương án cải tạo 67

4.2.2 Mô phỏng phương án đề xuất 68

4.3 Tổ chức, quản lý, vận hành hệ thống thoát nước 68

vi

4.3.1 Giải pháp tổ chức 68

4.3.2 Giải pháp quản lý vận hành hệ thống thoát nước 69

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

PHỤ LỤC 76

Phụ lục 1: Kết quả mô phỏng bằng mô hình SWMM ứng với trận mưa 24h max tần suất 5 năm 76

Phụ lục 2: Kết quả mô phỏng bằng mô hình SWMM ứng với trận mưa 24h max tần suất 5 năm có ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và đô thị hóa 96

Phụ lục 3: Kết quả mô phỏng bằng mô hình SWMM ứng với trận mưa 24h max tần suất 5 năm có ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và đô thị hóa, ứng với phương án cải tạo hệ thống thoát nước khu vực 116

Phụ lục 4: Trắc dọc một số tuyến cống 134

vii

DANH M ỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Xu thế biến đổi lượng mưa 5 ngày lớn nhất năm tại trạm Hà Đông 14

Hình 3.1: Bản đồ khu vực Thanh Xuân Bắc - Trung Văn lưu vực tả sông Nhuệ Hà Nội 28

Hình 3.2: Đường Trung Văn bị úng ngập khi có mưa 41

Hình 3.3: Khu vực xung quanh đường Lương Thế Vinh bị ngập 41

Hình 3.4: Đường và khu dân cư Phùng Khoang bị ngâp nặng khi mưa 42

Hình 3.5: Đường Tố Hữu bị ngập nặng ảnh hưởng đến giao thông đi lại của người dân 42

Hình 3.6: Mô hình mưa thiết kế trận mưa 3h max, tần suất 5 năm 45

Hình 3.7: Mô hình mưa thiết kế trận mưa 24h max, tần suất 5 năm 46

Hình 3.8: Khai báo các thông số mặc định trong SWMM 50

Hình 3.9: Các thông số cơ bản trong SWMM 51

Hình 3.10: Sơ đồ mô phỏng khu vực nghiên cứu 52

Hình 3.11: Mức thay đổi lượng mưa năm (%) so với thời kỳ 1980 – 1999 theo kịch bản phát thải trung bình B2 57

Hình 3.12: Mô hình mưa thiết kế trận mưa 24h max, tần suất 5 năm có xét tới ảnh hưởng của biến đổi khí hậu 60

Hình 3.13: Kết quả mô phỏng khu vực nghiên cứu 63

Hình PL 4.1: Trắc dọc tuyến cống đường Trung Văn (đoạn 1) 134

Hình PL 4.2: Trắc dọc tuyến cống đường Trung Văn (đoạn 2) 134

Hình PL 4.3: Trắc dọc tuyến cống Lương Thế Vinh 135

Hình PL 4.4: Trắc dọc tuyến cống đường Tố Hữu 135

Hình PL 5.5: Trắc dọc tuyến cống phố Nguyễn Quý Đức 136

viii

Bảng 1.1: Tỉ lệ dân số thành thị ở trên thế giới 9

Bảng 1.2: Tỉ lệ dân số thành thị ở các nước phát triển 9

Bảng 1.3: Mức tăng nhiệt độ và mức thay đổi lượng mưa trong 50 năm qua ở các vùng khí hậu của Việt Nam 13

Bảng 2.1: Thống kê lượng mưa tại trạm Hà Đông 26

Bảng 3.1: Nhiệt độ trung bình tháng tại Hà Nội (0 C) 29

Bảng 3.2: Độ ẩm tương đối trung bình tháng tại một số trạm khí tượng ( %) 29

Bảng 3.3: Lượng bốc hơi trung bình tháng tại một số trạm khí tượng (mm) 30

Bảng 3.4: Thống kê lượng mưa tại trạm Hà Đông 30

Bảng 3.5: Một số đặc trưng mực nước sông Hồng thời kỳ 1956-2010 33

Bảng 3.6: Lượng mưa tương ứng với tần suất tính toán 44

Bảng 3.7: Giá trị các tham số của đường DDF 45

Bảng 3.7a: Số liệu mực nước trên cống Hà Đông 47

Bảng 3.7b: Bảng tổng hợp lưu lượng từ khu vực Mễ Trì Thượng, Mễ Trì Hạ chảy vào 48

Bảng 3.8: Thống kê diện tích các tiểu khu………48

Bảng 3.9: Thống kê các nút ngập với trận mưa 24h max, tần suất 5 năm 52

Bảng 3.10: Thống kê các tuyến cống ngập với trận mưa 24h max, tần suất 5 năm 54

Bảng 3.11: Thống kê các tiểu khu xảy ra hiện tượng úng ngập với trận mưa 24h max, tần suất 5 năm 55

Bảng 3.12: Ảnh hưởng của đô thị hóa đến tính chất bề mặt thoát nước 58

Bảng 3.13: Lượng mưa dự báo đến năm 2030 do ảnh hưởng của biến đổi khi hậu tương ứng với tần suất tính toán 58

Bảng 3.14: Giá trị các tham số của đường DDF 59

Bảng 3.15: Thống kê các nút ngập với trận mưa 24h max, tần suất 5 năm ứng với quá trình biến đổi khí hậu và đô thị hóa 60

ix

Bảng 3.16: Thống kê các tuyến cống ngập với trận mưa 24h max, tần suất 5 năm ứng với quá trình biến đổi khí hậu và đô thị hóa 62Bảng 3.17: Thống kê các tiểu khu xảy ra hiện tượng úng ngập với trận mưa 24h max, tần suất 5 năm theo kịch bản BĐKH và ảnh hưởng của đô thị hóa đến năm 2030 63Bảng 4.4: Thống kê các tuyến cống đề xuất cải tạo, nâng cấp 67

1

M Ở ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Khu vực phường Thanh Xuân Bắc, xã Trung Văn lưu vực tả sông Nhuệ là khu vực đang trong quá trình đô thị hóa mạnh, nhiều khu đô thị mới đang được xây dựng và hoàn thiện như khu đô thị mới Trung Văn, khu đô thị mới Phùng Khoang… kéo theo mật độ dân số tăng nhanh đột biến đòi hỏi hệ thống hạ tầng kỹ thuật trong đó có hệ thống thoát nước phải được cải tạo và nâng cấp để kịp thời phục vụ đời sống dân sinh hiệu quả

Hệ thống thoát nước hiện có đã được xây dựng từ những thập kỷ trước và không đồng bộ Các tuyến cống thoát nước được xây dựng từ những năm 2000, chủ yếu được xây dựng trên các trục giao thông chính; các tuyến mương, trạm bơm tiêu thoát nước hiện

có đã được xây dựng từ những năm 1980 với mục đích ban đầu là phục vụ tưới tiêu nông nghiệp nay chuyển đổi thành mương tiêu thoát nước đô thị Quá trình đô thị hóa làm thu hẹp diện tích đất nông nghiệp, nhiều hệ thống ao hồ bị san lấp làm giảm khả năng trữ nước mặt khác hệ thống mương tiêu nông nghiệp chuyển đổi thành mương tiêu thoát nước đô thị không đáp ứng được yêu cầu tiêu thoát nước

Ngoài tác động của quá trình đô thị hóa thì những năm gần đây do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu tình hình thời tiết càng ngày càng diễn biến phức tạp, các trận mưa có lượng mưa lớn, cường độ cao ( lượng mưa từ 200-300 mm/ngày) xuất hiện với mật độ ngày một nhiều, mặt khác hệ thống thoát nước khu vực Thanh Xuân Bắc, Trung Văn lại được xây dựng manh mún, không đồng bộ khiến cho khu vực này thường xuyên xảy ra hiện tượng úng ngập nặng ( đặc biệt là các khu vực dân cư làng Phùng Khoang - Trung Văn, Khu E tập thể Thanh Xuân Bắc với thời gian ngập từ 3h – 4h sau mưa, chiều sâu ngập 30 – 40cm) ảnh hưởng không nhỏ đến sinh hoạt và sản xuất của nhân dân

Xuất phát từ nhu cầu bức thiết đó đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu

và đô thị hóa đến khả năng tiêu thoát nước của hệ thống thoát nước khu vực Thanh Xuân Bắc – Trung Văn lưu vực Tả Sông Nhuệ, Hà Nội” là rất cần thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Hệ thống thoát nước khu vực Thanh Xuân Bắc - Trung Văn lưu vực tả sông Nhuệ,

4.2.P hương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng các phương pháp sau:

- Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu;

- Phương pháp phân tích, xử lý, đánh giá số liệu;

3

- Phương pháp kế thừa;

- Điều tra, khảo sát và kế thừa các tài liệu hiện có;

- Sử dụng lý thuyết về thủy lực, thủy văn, thoát nước, quy hoạch công trình phục

vụ cho tính toán tiêu thoát nước;

- Sử dụng phần mềm tiên tiến (SWMM) để lập mô hình mô phỏng hệ thống tiêu thoát nước Từ đó phân tích các hiện tượng thủy lực trong hệ thống và đưa ra kết luận;

4

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và đô thị hóa đến khả năng làm việc của hệ thống thoát nước trên thế giới

1.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến khả năng làm việc của hệ thống thoát nước trên thế giới

1.1.1.1 Biến đổi khí hậu

Biến đổi khí hậu là sự thay đổi của khí hậu (định nghĩa của Công ước khí hậu) được quy trực tiếp hay gián tiếp là do hoạt động của con người làm thay đổi thành phần của khí quyển toàn cầu và đóng góp thêm vào sự biến động khí hậu tự nhiên trong các thời gian

có thể so sánh được Có thể hiểu biến đổi khí hậu là sự thay đổi của hệ thống khí hậu gồm khí quyển, thuỷ quyển, sinh quyển, thạch quyển hiện tại và trong tương lai bởi các nguyên nhân tự nhiên và nhân tạo trong một giai đoạn nhất định từ tính bằng thập kỷ hay hàng triệu năm Biến đổi khí hậu đang diễn ra trên quy mô toàn cầu Sự biển đổi có thế là thay đổi thời tiết bình quân hay thay đổi sự phân bố các sự kiện thời tiết quanh một mức trung bình Sự biến đổi khí hậu có thể giới hạn trong một vùng nhất định hay có thể xuất hiện trên toàn Địa Cầu Biến đổi khí hậu trước hết là sự nóng lên toàn cầu và mực nước biển dâng, thiên tai và các hiện tượng khí hậu cực đoan khác đang gia tăng ở hầu hết các nơi trên thế giới

Vào 5 thập kỷ gần đây 1956 – 2005, nhiệt độ tăng 0,64 0C ± 0,13 0C, gấp đôi thế kỷ

20 Như vậy xu thế biến đổi nhiệt độ ngày càng nhanh hơn

Trong đó ảnh hưởng của biến đổi khí hậu rõ rệt nhất lên vấn đề tiêu thoát nước đó là biến đổi về lượng mưa và mực nước biển dâng Trong thời kỳ 1901 – 2005 xu thế biến đổi của lượng mưa rất khác nhau giữa các khu vực và giữa các tiểu khu vực trên từng khu vực và giữa các thời đoạn khác nhau trên từng tiểu khu vực

+ Ở Bắc Mỹ, lượng mưa tăng lên ở nhiều nơi, nhất là ở Bắc Canađa

+ Ở Nam Mỹ, lượng mưa lại tăng lên trên lưu vực Amazon và vùng bờ biển Đông Nam nhưng lại giảm đi ở Chile và vùng bờ biển phía Tây

5

+ Ở khu vực nhiệt đới, lượng mưa giảm đi ở Nam Á và Tây Phi với trị số xu thế là 7,5% cho cả thời kỳ 1901 – 2005 Khu vực có tính địa phương rõ rệt nhất trong xu thế biến đổi lượng mưa là Australia do tác động to lớn của ENSO

+ Ở đới vĩ độ trung bình và vĩ độ cao, lượng mưa tăng lên rõ rệt ở miền Trung Bắc

Mỹ, Đông Bắc Mỹ, Bắc Âu, Bắc Á và Trung Á

Trên phạm vi toàn cầu lượng mưa tăng lên ở các đới phía Bắc vĩ độ 300N thời kỳ

1901 - 2005 và giảm đi ở các vĩ độ nhiệt đới, kể từ thập kỷ 1990 Tần số mưa lớn tăng lên trên nhiều khu vực, kể cả những nơi lượng mưa có xu thế giảm Cũng do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu mà những năm gần đây lũ lụt xảy ra trên thế giới có xu hướng ngày càng tăng với cường độ lớn Lũ lớn không những làm cho vấn đề tiêu thoát nước gặp khó khăn

mà còn gây ra nhiều hậu quả nặng nề

1.1.1.2 Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến khả năng làm việc của hệ thống thoát nước trên thế giới

Biến đổi khí hậu và những ảnh hưởng của nó tác động lớn đến môi trường trên toàn cầu, trong đó phải kể đến là lũ lụt, nước biến dâng, gây áp lực to lớn lên hệ thống thoát nước nói chung, đặc biệt là trong các khu đô thị

Các khu vực đô thị luôn hiện diện một số rủi ro lũ lụt khi mưa lớn xảy ra Nhà cửa, đường phố, cơ sở hạ tầng và những khu vực bê tông hóa khác ngăn chặn nước mưa thấm xuống mặt đất – và do vậy tạo ra nước chảy tràn nhiều hơn Mưa lớn và kéo dài lâu ngày tạo ra một lượng rất lớn nước chảy tràn bề mặt, và có thể dễ dàng làm ngập hệ thống thoát nước Ở các thành phố được quản lý tốt, vấn đề này hiếm khi xảy ra vì cơ sở hạ tầng thoát nước được xây dựng tốt với các phương pháp bổ sung để bảo vệ chống lại lũ lụt – ví dụ việc sử dụng các công viên và không gian mở để thích ứng với lũ lụt bất thường Ở hầu hết các thành phố, công tác quản lý sử dụng đất cũng được điều chỉnh để tăng khả năng ứng phó với lũ lụt Ngược lại, ở các thành phố quản lý không tốt, việc sử dụng đất để ứng phó với lũ lụt không thật sư được quan tâm Hầu hết các khu dân cư không lắp đặt hệ thống thoát nước và dựa vào những kênh thoát nước tự nhiên và thường xuyên xảy ra việc các công trình hoặc cơ sở hạ tầng được xây dựng ở những vị trí làm nghẽn các kênh thoát nước đó Ví dụ, ở Dhaka, các công trình xây dựng thường xâm lấn

sự phát triển của thực vật có thế cản trở thoát nước dẫn đến úng lụt cục bộ thậm chí cả khi mưa nhỏ Ngoài ra cũng nhiều tài liệu cho thấy sự yếu kém của hệ thống thoát nước

và phòng chống lũ lụt của các đô thị ở Châu Phi, Châu Á có liên quan đến xu hướng tăng

số người tử vong và bị thương do lũ lụt Có nhiều nghiên cứu trường hợp nhấn mạnh tính

dễ bị tổn thương của một số thành phố đối với lũ lụt và mực nước biển dâng, bao gồm Alexandria (El – Raey, 1997), Cotonou (Dossou và Glehouenou-Dossou 2007), Dhaka (Alam và Golam Rabbani, 2007), Banjul (Jallow et al 1999) và Port Harcourt (Abam et al., 2000)

Một nghiên cứu gần đây chỉ ra việc sự thiếu hụt hệ thống giảm thiểu rủi ro lũ lụt hoặc hệ thống quản lý lũ lụt khi chúng xảy ra tại sáu thành phố ở Châu Phi (Douglas et al., 2008) Lũ lụt đã và đang tác động lớn đến các thành phố và các đô thị nhỏ ở nhiều quốc gia Châu Phi - ví dụ trận lụt ở Mozambique vào năm 2000 bao gồm lũ lớn ở Maputo và ở Algiers vào năm 2001 (900 người chết và 45.000 người bị ảnh hưởng); mưa lớn ở Đông Phi vào năm 2002 đã gây ra lũ lụt và lở đất khiến cho 10.000 người phải rời

bỏ nhà cửa ở Rwanda, Kenya, Burundi, Tanzania và Uganda, và một loạt chũng trận lụt ở Port Harcourt và Addis Ababa năm 2006 (UN-Habitat 2007, Douglas et al., 2008) Lũ lụt ngày càng xảy ra thường xuyên và khắc nghiệt hơn, đồng thời thường xảy ra ở những nơi

mà trước kia chưa từng bị nguy hiểm Có thể thấy biến đổi khí hậu có khả năng làm tăng rủi ro lũ lụt ở các đô thị theo 3 cách: từ biển (mực nước biển dâng cao và bão); từ mưa ví

dụ lượng mưa tăng hoặc mưa kéo dài; và từ những thay đổi gây ra tăng lưu lượng dòng chảy ví dụ do băng tan Nhóm công tác số 2 của IPCC (tập hợp các nhà khoa học từ 195 nước thành viên LHQ) nhấn mạnh rằng những trận mưa lớn có xu hướng ngày xảy ra thường xuyên hơn và sẽ làm tăng thêm nguy cơ lũ lụt, đồng thời có bằng chứng về việc

7

tăng lưu lượng dòng chảy sớm hơn của những dòng sông lấy nước từ băng, tuyết (Adger, Aggarwal, Agrawala et al., 2007)

Bên cạnh những nguy hiểm của lũ lụt, hiện tượng mưa lớn do biến đổi khí hậu cũng

sẽ làm tăng nguy cơ lở đất ở nhiều đô thị

Mực nước biển dâng ảnh làm gia tăng ngập lụt trên các khu vực bờ biển tập trung cao độ dân cư ở Nam Á, Đông Á, Đông Nam Á Đặc biệt có thể nhấn chìm nhiều vùng rộng lớn ở các khu vực thấp của Việt Nam, Bangladesh, Ấn Độ và Trung Quốc

Ước tính mực nước biển dâng trong khoảng 18 - 59cm vào cuối thế kỷ 21, làm tăng

số người bị ngập lụt do những cơn bão Vấn đề lũ lụt ven biển sẽ còn nguy hiểm hơn nếu những hiện tượng thời tiết cực đoan với xác xuất bất định sẽ xảy ra ví dụ việc băng tan ngày càng nhanh tại đảo Greenland hoặc sự sụp đổ các tảng băng ở Tây Nam Cực (Adger, Aggarwal, Agrawala et al., 2007) Báo cáo cuối cùng của Nhóm công tác số 2 của IPCC nhấn mạnh tính dễ bị tổn thương do mực nước biển dâng và sự thay đổi lượng nước mặt chảy tràn của một bộ phận lớn dân cư đô thị và nông thôn ở các đồng bằng Châu Á đông dân cư như Ganges-Brahmaputra (bao gồm cả Dhaka), Mekong, Chang Jiang (cũng được biết là Yangtze, bao gồm Thượng Hải) và Chao Phraya (với Bangkok) Nhiều khu vực châu thổ khác ở Châu Á và Châu Phi cũng có một tỷ lệ lớn người dân đô thị và nông thôn chịu ảnh hưởng, đặc biệt là sông Nile nhưng cũng bao gồm cả Niger (với Port Harcourt) và Senegal (với Saint Louis – Diagne, 2007) Các số liệu thống kê cũng cho thấy sự tăng dân số ở khu vực ven biển có độ cao thấp tại hầu hết các quốc gia (McGranahan, Balk và Anderson, 2007) Trung Quốc là ví dụ ấn tượng nhất về quốc gia

có số lượng dân cư đô thị và nông thôn lớn nhất sinh sống trong khu vực này và vẫn có

xu hướng tăng mạnh mẽ, tạo áp lực lớn với một khu vực duyên hải vốn đã đông đúc Có một số bằng chứng cho thấy những cơn bão sẽ trở nên thường xuyên với cường độ cao hơn, đồng thời cũng có khả năng vành đai bão sẽ di chuyển xuống phía Nam Bởi vậy, những khu vực đô thị ven biển chịu ảnh hưởng lớn nhất bao gồm Việt Nam ở Châu Á, Gujarat ở Tây Ấn và Orissa ở Đông Ấn, vùng Caribbean, bao gồm cả các đô thị lớn như Santo Domingo, Kingston, và Havana và dân cư trên bờ biển Caribe của Mexico và Trung Mỹ Với nhiệt độ nước biển bề mặt tăng lên 2 - 4oC, như đã xảy ra ở Ấn Độ

8

Dương trong thế kỷ qua, cường độ bão sẽ tăng lên 10 -20% (Aggarwal và Lal, 2001) Kể

từ khi tần suất hình thành bão trong vịnh Bengal cao gấp khoảng năm lần so với biển Ả Rập (India Metrological Department, 1966, 1979, TARU 2005) Bờ biển phía đông của

Ấn Độ rõ ràng chịu rủi ro lớn hơn Mật độ tập trung dân số cao, đặc biệt ở bờ biển phía đông của Ấn Độ và Băng La Đét, khiến cho mức độ tổn thương của khu vực này cực cao đồng thời dẫn đến mất mát lớn về tài sản và sinh mạng (Revi, 2008)

1.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của đô thị hóa đến khả năng làm việc của hệ thống thoát nước trên thế giới

1.1.2.1 Đô thị hóa trên thế giới

Đô thị hóa được hiểu là sự mở rộng của đô thị, tính theo tỉ lệ phần trăm giữa số dân

đô thị hay diện tích đô thị trên tổng số dân hay diện tích của một vùng hay khu vực Nó cũng có thể tính theo tỉ lệ gia tăng của hai yếu tố đó theo thời gian Nếu tính theo cách đầu thì nó còn được gọi là mức độ đô thị hóa; còn theo cách thứ hai, nó có tên là tốc độ

đô thị hóa Đô thị hóa là quá trình phát triển rộng rãi lối sống thị thành thể hiện qua các mặt dân số, mật độ dân số, chất lượng cuộc sống,

Quá trình đô thị hóa có tính chất khác nhau giữa các nước, các vùng kinh tế có trình

độ phát triển khác nhau, có chế độ xã hội khác nhau Chúng ta dễ dàng nhận thấy sự khác biệt về mức độ và tính chất đô thị hóa giữa các nước vì đô thị hóa là quá trình đô thị hóa

là quá trình mang tính chất quy luật, các đô thị phát triển phụ thuộc vào sự phát triển kinh

tế - xã hội - văn hóa của đất nước và của từng vùng Đô thị hóa phát triển mạnh trên quy

mô toàn cầu làm tăng số lượng các đô thị lớn, tăng nhanh dân số đô thị và tỉ lệ thị dân Hiện nay, xu hướng phát triển của thế giới là biến trái đất thành một hành tinh chủ yếu bao gồm các đô thị (hành tinh bê tông) Đến thế kỉ 21, khi dân số đạt mức ổn định, thì số dân cư nông thôn thật là nông dân sẽ chỉ là một thiểu số ít ỏi Dân số đô thị thế giới 2005 đạt tới 47% tổng dân số, ước tính đến 2025 là 61% Sự gia tăng dân số đô thi thế giới hiện nay chủ yếu tập chung ở các nước đang phát triển

Các nước phát triển (như tại châu Âu, Mĩ hay Úc) thường có mức độ đô thị hóa cao (trên 80%) hơn nhiều so với các nước đang phát triển (như Việt Nam hay Trung Quốc) (khoảng ~35%) Đô thị các nước phát triển phần lớn đã ổn định nên tốc độ đô thị hóa

9

thấp hơn nhiều so với trường hợp các nước đang phát triển Sự tăng trưởng của đô thị được tính trên cơ sở sự gia tăng của đô thị so với kích thước (về dân số và diện tích) ban đầu của đô thị Do đó, sự tăng trưởng của đô thị khác tốc độ đô thị hóa (vốn là chỉ số chỉ

sự gia tăng theo các giai đoạn thời gian xác định như 1 năm hay 5 năm)

Đặc trưng của đô thị hóa là quá trình di dân nông thôn ra thành thị dẫn đến tình trạng dân cư tập trung đông đúc ở các khu đô thị làm cho mật đô dân cư tăng nhanh chóng Có thể thấy dân số thành thị tăng nhanh trên thế giới như sau:

Bảng 1.1: Tỉ lệ dân số thành thị ở trên thế giới

Khu vực

Dân số đô thị (triệu người) % dân số đô thị

1970 1990 2025 1970 1990 2025 Toàn thế giới

Các nước đang phát triển:

Khu vực

Dân số đô thị (triệu người) % dân số đô thị

1950 1970 2025 1950 1970 2025 Các nước kinh tế phát

42 106,1 62,4

Ở châu Âu: Khu vực đô thị hóa lâu dài mức độ đô thị hóa cao nhưng những năm gần đây tốc độ tăng trưởng đô thị hóa chậm, đô thị cổ nhưng ít các đô thị khổng lồ Là khu vực thứ hai thế giới về số lượng cư dân đô thị năm 1970 với 311 triệu người nhưng những năm gần đây dân số đô thị ở châu Âu tăng lên chậm hơn so với các nước châu Á Cho đến 1990, số dân đô thị của châu Âu chỉ tăng lên 62 triệu dân, dự đoán đến năm

2025 dân số đô thị của châu Âu đạt 458 triệu dân, chỉ tăng khoảng 84 triệu trong vòng 35 năm Trong khi đó ở các nước châu Á tăng lên 1,7 tỉ dân cũng trong 35 năm Ở châu Âu không có thành phố nào có dân số trên 10 triệu dân trở lên, số thành phố có từ 5-10 triệu dân: 3 thành phố năm 1950; 4 thành phố năm 1970; 5 thành phố năm 1990 và không tăng lên cho đến năm 2010 Thành phố 1-5 triệu dân chiếm khoảng 1/5 dân số đô thị Châu Âu

là khu vực có lịch sử đô thị hóa lâu dài, ở châu Âu có nhiều đô thị cổ, mạng lưới đô thị dày đặc, mức đô thị hóa cao với 74% dân số sống ở các thành phố lớn

Ở châu Á: Theo ước tính của liên hợp quốc số lượng dân số đô thị của các nước

châu Á từ năm 1990 đền 2020 sẽ tăng từ 850  2,25 tỉ Trung bình hàng năm tăng 47 triệu người Do đó gây ra những mối nguy hại cho việc phát triển kinh tế, việc xuống cấp môi trường và cơ sở hạ tầng chính vì vậy cần có những biện pháp quy hoạch thích hợp Trung quốc - đất nước rộng lớn với diện tích là 9,6 triệu km2, 1,3 tỉ dân, dân số đô thị của Trung Quốc chiếm 37% dân số cả nước Nhưng trong thời gian gần đây và dự đoán tương

sự bùng nổ phản ánh việc tập trung hóa của chính phủ, của sự giàu có và quyền lực và như thế những gì tốt đẹp nhất của đô thị được xem như biểu tượng của sự phát triển và hiện đại hóa trong nền kinh tế của đất nước họ Khu vực đô thị hóa mạnh nhất là khu vực Bắc Phi có tới 47% dân số đô thị, Nam Phi 50%, Tây Phi 40%, Trung Phi 35% dân số đô thị, Đông Phi 24%

Ở các nước thuộc châu Mỹ La Tinh: Khu vực có mức độ đô thị hóa cao nhất nhóm nước đang phát triển Quá trình đô thị hóa châu Mĩ La Tinh đang phát triển nhanh chóng, biến các thành phố Mĩ La Tinh thành các thành phố lớn nhất thế giới Trong đó Mê hi cô đất nước đô thị hóa ồ ạt, có thành phố lớn nhất châu Mĩ La Tinh có tỉ lệ dân cư đô thị là 75%

1.1.2.2 Ảnh hưởng của đô thị hóa đến khả năng làm việc của hệ thống thoát nước trên thế giới

Quá trình đô thị hóa kéo theo dân số thành thị tăng cao Dân số lớn dẫn đến tiêu thụ thực phẩm, nước và năng lượng nhiều hơn, đồng nghĩa với việc xả thải nhiều hơn Một thực tế cho thấy, số lượng người càng tăng thì ô nhiễm càng cao Mặc dù, có một số biện pháp xử lý ô nhiễm, có một hệ thống giáo dục và quản lý môi trường, nhưng tác động của mật độ dân cư đông và số dân cao vẫn làm tổn hại đến môi trường, nhất là ở các đô thị của các nước đang phát triển Xuất phát của một vùng đô thị thường là những nơi thuận tiện giao thông, theo đó kinh tế phát triển kéo theo sự gia tăng dân số Năng lượng được

sử dụng càng nhiều đồng nghĩa với việc lượng chất thải xả ra ngoài môi trường càng lớn, gây ô nhiễm môi trường đất, nước, môi trường không khí Đô thị hóa dẫn đến thay đổi trong việc sử dụng đất tự nhiên Đô thị hóa phát triển, nhu cầu đất cho nhà ở, cho phát

1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và đô thị hóa đến khả năng làm việc của hệ thống thoát nước ở Việt Nam

1.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến khả năng làm việc của hệ thống thoát nước ở Việt Nam

Việt Nam là một trong các nước chịu ảnh hưởng nghiêm trọng của biến đổi khí hậu Theo đánh giá của Ngân hàng Thế giới (2007), Việt Nam là một trong năm nước sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng của BĐKH và nước biển dâng Theo tính toán của văn phòng quản lý điều tra tài nguyên biển và môi trường (thuộc bộ tài nguyên và môi trường) dự báo: mực nước biển ở Việt Nam sẽ dâng cao từ 3- 15 cm vào năm 2010, dâng từ 15 - 90

cm vào năm 2070 Các vùng ảnh hưởng là Cà Mau, Kiên Giang, Bà Rịa - Vũng Tàu, Thanh Hóa, Nam Định, Thái Bình Trong đó, vùng đồng bằng sông Hồng và sông Mê Công bị ngập chìm nặng nhất Hậu quả của BĐKH đối với Việt Nam là nghiêm trọng Các lĩnh vực, ngành, địa phương dễ bị tổn thương và chịu tác động mạnh mẽ nhất của biến đổi khí hậu là: tài nguyên nước, nông nghiệp và an ninh lương thực, sức khoẻ; các vùng đồng bằng và dải ven biển Xu thế biến đổi nhiệt độ và lượng mưa là khác nhau so với các vùng trong 50 năm qua, nhiệt độ trung bình năm tăng khoảng 0,5º C trên phạm vi

cả nước và lượng mưa có xu hướng giảm ở phía Bắc và tăng ở phía Nam lãnh thổ Nhiệt

độ mùa Đông thì tăng nhanh hơn so với mùa Hè và nhiệt độ vùng sâu trong đât liền tăng

13

nhanh hơn so với nhiệt độ vùng ven biển và hải đảo, lượng mưa ngày một tăng cao Sự thay đổi nhiệt độ và lượng mưa ở nước ta qua 50 năm thể hiện trong bảng sau:

Bảng 1.3: Mức tăng nhiệt độ và mức thay đổi lượng mưa trong 50

năm qua ở các vùng khí hậu của Việt Nam

Bên cạnh đó là vấn đề nước biển dâng, theo kịch bản phát thải trung bình (B2): Vào cuối thế kỷ 21, nước biển dâng cao nhất ở khu vực từ Cà Mau đến Kiên Giang trong khoảng từ 62 đến 82cm; thấp nhất ở khu vực từ Móng Cái đến Hòn Dấu trong khoảng từ

49 đến 64cm Trung bình toàn Việt Nam, mực nước biển dâng trong khoảng từ 57 đến 73

cm Nếu mực nước biển dâng 1m, sẽ có khoảng 39% diện tích đồng bằng sông Cửu Long, trên 10% diện tích vùng đồng bằng sông Hồng và Quảng Ninh, trên 2,5% diện tích thuộc các tỉnh ven biển miền Trung và trên 20% diện tích Thành phố Hồ Chí Minh có nguy cơ bị ngập; gần 35% dân số thuộc các tỉnh vùng đồng bằng sông Cửu Long, trên 9% dân số vùng đồng bằng sông Hồng và Quảng Ninh, gần 9% dân số các tỉnh ven biển miền Trung và khoảng 7% dân số Thành phố Hồ Chí Minh bị ảnh hưởng trực tiếp; trên 4% hệ thống đường sắt, trên 9% hệ thống quốc lộ và khoảng 12% hệ thống tỉnh lộ của Việt Nam

sẽ bị ảnh hưởng Biến đổi khí hậu cũng ảnh hưởng đến bão và áp thấp nhiệt đới ở nước

ta, khu vực đổ bộ của các cơn bão và áp thấp nhiệt đới vào Việt Nam có xu hướng lùi dần

về phía Nam lãnh thổ nước ta, số lượng các cơn bão rất mạnh có xu hướng gia tăng, mùa

15

bão có dấu hiệu kết thúc muộn hơn trong thời gian gần đây và mức độ ảnh hưởng của bão đến nước ta có xu hướng mạnh lên

Biến đổi khí hậu và hậu quả của nó đặt ra áp lực lớn lên vấn đề tiêu thoát nước

trong đó: mực nước biển dâng cao làm cho khả năng tiêu thoát nước ra biển giảm, kéo theo mực nước các con sông dâng lên, kết hợp với sự gia tăng dòng chảy lũ từ thượng nguồn sẽ làm cho đỉnh lũ tăng thêm, uy hiếp sự an toàn của các tuyến đê sông ở các tỉnh

phía Bắc, đê bao và bờ bao ở các tỉnh phía Nam Mực nước biển dâng lên, việc tiêu tự chảy sẽ hết sức khó khăn, diện tích và thời gian ngập úng tăng lên tại nhiều khu vực Nước biển dâng làm mặn xâm nhập sâu vào nội địa, các cống hạ lưu ven sông sẽ không

có khả năng lấy nước ngọt vào đồng ruộng Các thành phố ven biển bị ngập úng do triều Khu vực thấp ven biển bị ngập triều gây mặn nặng Chế độ dòng chảy sông suối thay đổi theo hướng bất lợi, các công trình thuỷ lợi sẽ hoạt động trong điều kiện khác với thiết kế, làm cho năng lực phục vụ của công trình giảm Nước biển dâng cản trở trực tiếp lũ thoát

ra biển làm cho mực nước trên các sông chính nâng cao gây ngập trên diện rộng hơn và nguy hiểm còn ở chỗ nó làm kéo dài thời gian ngập Mực nước biển dâng cũng làm cho vấn đề tiêu thoát nước cho các khu vực đặc biệt là khu đô thị gặp nhiều khó khăn Áp lực tiêu cho các hệ thống tiêu thể hiện rõ rệt như sau:

+ Lượng mưa lớn do biến đổi khí hậu làm cho lưu lượng cần tiêu lớn;

+ Thủy triều dâng cao do ảnh hưởng của nước biển dâng khiến khả năng tiêu tự chảy gặp khó khăn;

+ Biến đổi khí hậu làm cho nhiệt độ và lượng mưa tăng cao cũng như nhiều trận bão và những đợt gió lớn xảy ra khiến các hồ chứa nước phải xả lũ gây ảnh hưởng trực tiếp tới việc tiêu nước;

Trước những ảnh hưởng đó của biến đổi khí hậu đặt ra cho chúng ta sự cần thiết và cấp bách giải quyết vấn đề tiêu thoát nước, đặc biệt là thoát nước cho các đô thị

1.2.2 Ảnh hưởng của đô thị hóa đến khả năng làm việc của hệ thống thoát nước ở Việt Nam

1.2.2.1 Đô thị hóa ở Việt Nam

16

Ở nước ta quá trình đô thị hóa đang diễn ra mạnh mẽ, đô thị hóa ở các đô thị lớn đang tạo hiệu ứng thúc đẩy đô thị hóa nhanh lan toả diện rộng trên phạm vi các tỉnh, các vùng và cả nước Nhiều đô thị mới, khu đô thị mới được hình thành phát triển Đánh giá chung phát triển đô thị hóa Việt Nam trong giai đoạn vừa qua có nhiều chuyển biến số lượng Năm 1999 cả nước có 629 đô thị đến nay có 772 đô thị, trong đó có 2 đô thị đặc biệt, 15 đô thị loại I, 14 đô thị loại II, 47 đô thị loại III, 64 đô thị loại IV và 630 đô thị loại V Với sự tiến triển đó kéo theo dân cư đô thị cũng tăng lên không ngừng năm 1960

cả nước chỉ có khoảng 14.7% dân số sống ở khu vực đô thị, con số đó đã tăng lên 20.3% vào năm 1990 và đạt đến 28.1% năm 2008 và đến nay 33.1% năm 2014 Tỷ lệ đô thị hóa trung bình cả nước đạt khoảng 34%, tăng trung bình 1% năm Đô thị hóa tập trung cao nhất tại vùng Đông Nam Bộ (64,15%), thấp nhất tại vùng Trung Du miền núi phía Bắc (21,72%) Các tỉnh, thành phố trực thuộc trung ương có tỷ lệ dân số thành thị cao, cao nhất cả nước là TP HCM 83%, Bình Dương 71,6%, Quảng Ninh 68,86%,…

Để đáp ứng được nhu cầu đó là việc quy hoạch quỹ đất, tổng diện tích đất tự nhiên toàn đô thị đạt 34,017 km2 chiếm khoảng 10,26% diện tích đất tự nhiên của cả nước, nội thành nội thị 14.760 km2 chiếm khoảng 4,42% diện tích đất tự nhiên của cả nước (theo

số liệu điều tra năm 2014)

Tuy nhiên vấn đề tồn tại là hệ thống đô thị Việt Nam đang phát triển nhanh về số lượng nhưng chất lượng đô thị còn thấp Đặc biệt, hệ thống hạ tầng kỹ thuật và hạ tầng xã hội chưa đồng bộ; trình độ và năng lực quản lý và phát triển đô thị còn thấp so với yêu cầu; Tốc độ xây dựng cơ sở hạ tầng ở phần lớn đô thị Việt Nam đều chậm so với phát triển kinh tế xã hội Tình trạng phát triển đô thị hiện nay chưa đáp ứng với sự đổi thay về

tư duy đô thị hóa, phát triển đô thị theo hướng CNH, HĐH Tài nguyên đất bị khai thác triệt để để xây dựng đô thị, diện tích cây xanh và mặt nước bị thu hẹp, nhu cầu sản xuất, dịch vụ ngày càng tăng làm suy thoái nguồn tài nguyên thiên nhiên của đất nước Hệ thống hạ tầng đô thị bị quá tải gây nên các hiện tượng tắc nghẽn giao thông, úng ngập và

vệ sinh môi trường đô thị hóa lan rộng làm các khu vực này lại nằm lọt vào giữa khu dân

cư đông đúc Tình trạng lãng phí đất đai trong các đô thị chưa được khắc phục, hiệu quả đầu tư xây dựng còn thấp ảnh hưởng đến phát triển bền vững và diện mạo đô thị Nguồn lực cho phát triển đô thị còn dải trải Nhu cầu vốn đầu tư cho hạ tầng kỹ thuật đô thị lớn,

17

việc xã hội hóa, huy động các nguồn lực trong xã hội còn hạn chế Tình trạng úng ngập cục bộ trong mùa mưa, ô nhiễm môi trường, ách tắc giao thông, lấn chiếm đất công, xây dựng không phép, sai phép còn diễn ra ở nhiều đô thị Xử lý nước thải chưa được chú trọng tại hầu hết các đô thị, thiếu sự đồng bộ trong xây dựng và khai thác hệ thống hạ tầng kỹ thuật dọc các tuyến đường tại các đô thị Hệ thống cây xanh công viên ở nhiều đô thị chưa được quan tâm, thiếu quy hoạch và kế hoạch triển khai đầu tư Hệ thống cây xanh, mặt nước (sông, hồ) trong nhiều đô thị bị suy giảm

1.2.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của đô thị hóa đến vấn đền tiêu thoát nước ở Việt Nam

Quá trình đô thị hóa tạo ra sức ép khổng lồ lên cở sở hạ tầng thoát nước Cùng với quá trình đô thị hóa là sự ra tăng về dân số thành thị đặc biệt là ở Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh Đô thị hóa cũng làm cho quỹ đất được chuyển đổi mục đích sử dụng đất tự nhiên sử dụng phục vụ cơ sở hạ tầng tăng cao, điều đó ảnh hưởng lớn đến dòng chảy và tiêu nước

Việc quy hoạch sử dụng đất và xây dựng chưa phù hợp nên hiện nay tỷ lệ đất nông nghiệp vùng ven đang giảm đi nhanh chóng (khoảng trên 3.000 ha/năm và dự kiến đến năm 2020, TP.HCM chỉ còn khoảng 60.000 ha đất nông nghiệp) Và hệ quả khác là vành đai xanh của Thành phố giảm đi nhanh chóng Có thể thấy hệ quả của nó rõ rệt qua các minh chứng thực tế ở thành phố Hồ Chí Minh trong quá trình phát triển các khu đô thị mới ở quận 7, khu đô thị Phú Mỹ Hưng hoặc khu dân cư đô thị Bàu Cát (quận Tân Bình), khu dân cư đô thị Phú Lâm (quận 6) các kênh mương, bưng biền ao ở các khu vực trên đều bị các nhà xây dựng san lấp hết để tận dụng mở rộng mặt bằng xây dựng, trong khi

đó hệ thống hạ tầng, nhất là hệ thống cống tiêu thoát nước sinh hoạt ra các con sông lớn lại chưa được xây dựng hoàn chỉnh nên diễn ra tình trạng cứ mùa mưa là các khu vực đô thị mới lại bị ngập nước Chính quyền cùng nhân dân đối phó bằng cách đường ngập thì nâng đường, nhà ngập thì nâng nhà Tương tự nhiều vùng đất trũng được xem là các vùng sinh thái điều hòa mực nước khi thủy triều các con sông lớn lên xuống như ở các quận 2,

7, 9, Nhà Bè lại bị quá trình đô thị hóa làm cho biến mất, nước thủy triều tràn ngập sang những vùng khác thấp hơn, gây nhiều thiệt hại cho người dân Ngoài ra, theo nhiều chuyên gia môi trường thì thời gian qua nhiều khu công nghiệp, khu đô thị mới phát triển theo hướng tự phát ở các huyện Bình Chánh, quận 9, Củ Chi với nhiều nhà máy, xí

kỹ và hỏng hóc, không hoặc chưa được duy tu , nạo vét thường xuyên hoặc chưa hoàn chỉnh Và bên cạnh đó do ảnh hưởng của triều biển Đông trong những lúc triều lên hoặc triều cường, mực nước trong sông kênh lên cao gây khó khăn cho việc tiêu thoát đối với những vùng đất thấp, gây ngập Mực nước triều lớn nhất ở khu vực TP.HCM dao động trong khoảng 1,5 m trong những đợt triều cường Diện tích đất có cao độ nhỏ hơn mực nước này, nếu không có hệ thống tiêu thoát thì thường xuyên bị ngập Ngập úng có thể lớn hơn khi có triều cường truyền vào trong sông kênh, kết hợp lũ từ các công trình thượng lưu xả về, đồng thời với mưa lớn xảy ra

Như vậy quá trình đô thị hóa đã làm giảm sự điều tiết tự nhiên của bề mặt lưu vực, Đối với nội thành, phần lớn đất đai được bê tông hoá, nhựa hoá xây dựng nhà, công xưởng, đường sá Do vậy, khi mưa xuống, hầu như toàn bộ mưa đều tập trung thành dòng chảy (đường trở thành sông cũng chính vì vậy), không thể thấm xuống đất để giảm bớt lượng dòng chảy tập trung

Bên cạnh đó đô thị hóa và sự gia tăng dân cư đô thị làm cho lượng chất thải và nước thải sinh hoạt, công nghiệp tăng cao Lượng nước thải đó cũng là vấn đề lớn cần giải quyết ở các khu đô thị, khu công nghiệp, khi mà hệ thống cở sở hạ tầng phục vụ cho thoát nước mưa và nước thải còn sử dụng chung như hầu hết ở các khu đô thị hiện nay

Kiểm định lại hệ thống thoát nước bằng mô hình SWMM Qua đó đề xuất các giải pháp cải tạo, nâng cấp và quản lý công trình

2.2 Phương pháp đánh giá ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và đô thị hóa

Để đánh giá ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và đô thị hóa đến nhu cầu tiêu nước của hệ thống thoát nước khu vực Thanh Xuân Bắc – Trung Văn, tác giả thực hiện theo các bước sau:

Bước 1: Xây dựng kịch bản về lượng mưa thiết kế tương ứng với trận mưa 24h max

tần suất 5 năm, tương ứng với quá trình đô thị hóa diễn ra trong khu vực với thời kỳ tương lai, năm 2030

Bước 2: Xây dựng mô hình mưa thiết kế tương ứng với trận mưa 24h max

Bước 3: Mô phỏng hệ thống thoát nước bằng phần mêm SWMM để đáp ứng với

yêu cầu về biến đổi khí hậu và quá trình đô thị hóa trong khu vực

Căn cứ vào chuỗi tài liệu mưa theo các tháng trong 20 năm tại trạm Hà Đông, tác giả tiến hành xét xu thế thay đổi lượng mưa để ước lượng dự báo cho tương lai giai đoạn

2030 dựa vào kịch bản biến đổi khí hậu đã được Bộ tài nguyên và môi trường phê duyệt năm 2009 Từ đó ta xác định được lượng mưa trong 24 giờ max và lựa chọn mô hình mưa để phân phối theo các giờ trong ngày

2.3 Mô hình SWMM

2.3.1 Giới thiệu về mô hình

Trong các mô hình toán mô phỏng thoát nước đô thị đều có những ưu nhược điểm nhưng tựu chung lại thì đều mô phỏng rất tốt hiện trạng thoát nước đô thị Có một số mô hình nhu nhập vào Việt Nam có tính chất thương mại (mua trực tiếp hoặc tính thành tiền

20

thông qua các dự án song phương hoặc đa phương ) như mô hình Mike hay các mô hình phi thương mại (nghĩa là Việt Nam chưa phải mua mà có được thông qua các công đường khác nhau như dự án hỗ trợ song phương hoặc đào tạo) như mô hình Sobek, StormNet các mô hình đều sử dụng lược đồ sai phân để giải phương trình lan truyền chất 1 chiều nên kết quả tính vẫn bị ảnh hưởng bởi hiện tượng khuếch tán số

Trong luận văn này để mô phỏng hệ thống thoát nước cho vùng nghiên cứu tôi lựa chọn mô hình toán thủy lực Công cụ mô phỏng cho mô hình là phần mềm SWMM Đây

là phần mềm được cung cấp miễn phí nhưng lại có tất cả tính năng mềm dẻo của một mô hình thủy lực dùng để diễn toán dòng chảy, nhập lưu trong cống, kênh, hồ, trạm xử lý vv rất thích hợp cho việc tính toán nước đô thị đồng thời cũng mô phỏng tương đối chính xác các vùng nông thôn

Mô hình toán SWMM (Storm Water Management Model) là mô hình động lực học

mô phỏng mưa – dòng chảy cho các khu vực đô thị cả về chất và lượng và tính toán quá trình chảy tràn từ mỗi lưu vực bộ phận đến cửa nhận nước của nó

Mô hình vừa có thể mô phỏng cho từng sự kiện (từng trận mưa đơn lẻ), vừa có thể

mô phỏng liên tục

2.3.2 Khả năng của phần mềm SWMM:

Mô hình SWMM là một mô hình toán học toàn diện, dùng để mô phỏng khối lượng

và tính chất dòng chảy đô thị do mưa và hệ thống cống thoát nước thải chung Mọi vấn

đề về thủy văn đô thị và chu kỳ chất lượng đều được mô phỏng, bao gồm dòng chảy mặt

và dòng chảy ngầm, vận chuyển qua mạng lưới hệ thống tiêu thoát nước, hồ chứa và khu

xử lý SWMM tính toán được nhiều quá trình thủy lực khác nhau tạo thành dòng chảy bao gồm:

- Lượng mưa biến đổi theo thời gian

- Bốc hơi trên mặt nước tĩnh

- Sự tích tụ và tan tuyết

- Sự cản nước mưa tại các chỗ đĩa hình lõm có khả năng chứa nước

- Ngấm của nước mưa xuống các lớp đất chưa bão hòa

- Thấm của lớp ngầm xuống các tầng nước ngầm

21

- Sự trao đổi giữa tầng nước ngầm và hệ thống tiêu

- Chuyển động tuyến của dòng chảy trên mặt đất và ở các hồ chứa phi tuyến

Tính biến thiên theo không gian trong tất cả các quá trình này có thể đạt được thông qua việc phân chia vùng nghiên cứu thành một tập hợp các vùng nhỏ hơn, các tiểu lưu vực đồng nhất mà mỗi tiểu lưu vực đó chứa các tiểu diện tích thấm và tiểu diện tích không thấm Dòng chảy tràn trên mặt đất có thể đi theo một tuyến giữa các tiểu diện tích, giữa các tiểu lưu vực, hoặc giữa các điểm vào của hệ thống tiêu

2.3.3 Cơ sở lý thuyết của mô hình SWMM

Cơ sở toán học của mô hình SWMM bao gồm 02 Modun là modun dòng chảy và modun thủy lực trong đó:

Modun Runoff là modun dùng để tính toán dòng chảy trên hệ thống từ mưa trên lưu vực và mô phỏng hàm lượng các chất ô nhiễm từ các nguồn xả thải trên lưu vực Modun Transport trong SWMM diễn toán dòng chảy trên / trong hệ thống các đường ống, kênh dẫn, các hồ điều hòa, trạm bơm, trạm xử lý của hệ thống tiêu thoát nước đô thị SWMM cho phép tính toán dòng chảy cả về chất và lượng trong từng lưu vực con, tốc độ chảy, chiều sâu chảy, chất lượng nước trong từng đoạn ống cống, kênh dẫn trong quá trình mô phỏng bao gồm nhiều bước thời gian

2.3.3.1 Tính toán lượng mưa hiệu quả

Việc tính toán lượng mưa hiệu quả được thực hiện bằng phương pháp khấu trừ tổn thất do thấm, điền trũng, bốc hơi từ bề mặt đất, điền trũng, và do thấm

Lượng mưa : được đưa vào mô hình bằng giá trị lượng mưa hoặc cường độ mưa

theo thời đoạn

22

Lượng bốc hơi bề mặt : lượng bốc hơi bề mặt được người sử dụng nhập vào mô

hình, có thể được tính theo phương pháp sau:

- Phương pháp cân bằng năng lượng:

Er = 0,0353Rn Trong đó: Er : Lượng bốc hơi (mm/ngày);

Trong đó: E a : Lượng bốc hơi (mm/ngày)

u 2 : Tốc độ gió (m/s) đo tại chiều cao z2 (cm)

z 0 : Chiều cao mẫu nhám (cm)

R h : Độ ẩm tương đối (%)

Lượng trữ bề mặt : là lượng nước bị tích tụ lại khi dòng chảy di chuyển qua vùng

có địa hình âm như ao, hồ, chỗ trũng trên mặt đường… Lượng trữ bề mặt rất khó xác định do tính phức tạp của lưu vực đô thị, do vậy thành phần này thường được đánh giá qua điều tra và sau đó hiệu chỉnh qua mô hình

2.3.3.2 Tính toán thấm, lượng thấm

Thấm là quá trình có tính quyết định với vai trò là đại lượng vào cho hệ thống đất thoáng khí Ý nghĩa quan trọng của quá trình thấm trong các quá trình động lực của quá trình trao đổi nước trong đất là phân chia lượng mưa thành nước bề mặt và nước trong đất do ảnh hưởng đến quá trình thủy văn, đặc biệt sự hình thành dòng chảy trên lưu vực

Để tính toán dòng chảy đạt độ chính xác và phù hợp với các quy luật vật lý, đã có nhiều

mô hình thấm được xây dựng Trong mô hình SWMM có 2 phương pháp để lựa chọn:

* Phương pháp mô hình thấm HORTON (1940) : là mô hình thấm 1 giai đoạn

Horton nhận xét rằng quá trình thấm bắt đầu từ một tốc độ thấm f0 không đổi nào đó, sau đó giảm dần theo quan hệ số mũ cho đến khi đạt tới một giá trị không đổi f ∞ Mô

23

hình thấm Horton được áp dụng cho để tính cho trận mưa 1 đỉnh và dạng đường cong mưa biến đổi không lớn

f p = f0 + ( f0 − f∞ )e -kt Trong đó: f p (mm/s): Cường độ thấm vào đất

f ∞ (mm/s): Cường độ thấm nhỏ nhất tại thời điểm bão hòa

f 0 (mm/s): Cường độ thấm lớn nhất tại thời điểm ban đầu t=0

t (s) : Thời gian tính từ lúc bắt đầu trận mưa rơi

k (T -1 ): Hằng số chiết giảm

Các thông số f∞, f0, k hoàn toàn xác định đường cong thấm fp và được người sử dụng đưa vào tính toán

* Phương pháp mô hình thấm Green-Ampt (1911): xây dựng dựa trên

phương trình thấm Darcy Mein - Lason (1973) đã cải tiến phương pháp này để tính toán quá trình thấm theo hai giai đoạn: giai đoạn bão hoà và giai đoạn sau bão hoà Trong giai đoạn bão hòa, đường cong cường độ thấm là đường quá trình mưa thực do lượng mưa trong giai đọan này chỉ tham gia vào quá trình thấm Trong giai đoạn sau bão hòa, lớp đất bề mặt đã bão hòa nước, đường cong thấm giảm theo quy luật thấm trọng lực

Phương trình thấm Green-Ampt được viết dưới dạng:

V = K.J

Trong đó: V: Cường độ thấm vào đất (mm/s)

K: Hệ số thấm thuỷ lực bão hoà (mm/s)

J: Độ dốc thủy lực, J=Sf

Trong đó: f: Cường độ thấm vào đất (mm/s)

f p : Cường độ thấm tiềm năng (mm/s)

i: Cường độ mưa (mm/s)

F: Lượng thấm tích lũy (mm)

24

Fs: Lượng thấm tích lũy đến trạng thái bão hòa (mm)

S: Sức hút mao dẫn trung bình (mm) IDM: Độ thiếu hụt độ ẩm ban đầu

Theo EULER (1989) lượng bốc hơi ngày được tính theo công thức

VP(mm)=1,58 +(0,96+0,0033i)sin{2 π /365(i-148)]

Trong đó i: Ngày tính theo nămthủy văn

i=1 Ngày 1 tháng 1

i=365 Ngày 31 tháng 10 năm sau

VP : Lượng bốc hơi ngày thứ i

Lượng trữ bề mặt rất khó xác định do tính phức tạp của lưu vực đô thị, do vậy thành phần này thường được đánh giá qua điều tra và sau đó hiệu chỉnh qua mô hình

2.3.3.3 Tính toán dòng chảy mặt

Phương trình mô phỏng dòng chảy tràn trên mặt bao gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng

- Phương trình liên tục

Trong đó: V : Thể tích nước trên bề mặt lưu vực

d : Chiều sâu lớp dòng chảy mặt

t : Thời gian

A : Diện tích lưu vực bộ phận i* : Cường độ mưa hiệu quả = cường độ mưa rơi trừ đi tổn thất và bốc hợp bề mặt

Q : Lưu lượng dòng chảy ra khỏi lưu vực đang xét

- Phương trình động lực: Phương trình Maning:

25

Trong đó: W : Chiều rộng trung bình lưu vực (m)

n : Hệ số nhám Maning 2.3.3.4 Cấu tạo mạng lưới thoát nước trong SWMM

SWMM dùng tập hợp các nút ( node ), các đoạn ống nối với các nút, hồ điều hòa, cửa xả, bơm… Để mô tả hệ thống mạng lưới thoát nước

Cấu tạo mạng lưới hệ thống thoát nước bao gồm các thành phần :

Subcatchment(lưu vực),Raingage(trạm mưa), Junction(nút),Storage Units( hồ điều hòa),Conduits(đường ống), Pumps(bơm), Regulatiors(van điều khiển hay van một chiều), Outfalls(cửa xả),

2.3.4 Dữ liệu đầu vào mô hình mưa SWMM

2.3.4.1 Dữ liệu đầu vào

Các dữ liệu cần thiết cho mô hình mưa dòng chảy SWMM mô phỏng hệ thống thoát nước bao gồm:

- Các dữ liệu về hệ thống thoát nước hiện trạng, các công trình hiện có trong khu vực nghiên cứu, các hồ điều hòa…

- Các dữ liệu về địa hình, địa chất, cao độ san nền, cao độ hiện trạng của các hố ga, cửa xả…

- Các dữ liệu về lượng mưa tại các trạm đo mưa gần nhất Với khu vực nghiên cứu

là trạm Hà Đông

2.3.4.2 Hiện trạng tuyến cống

Hệ thống tuyến cống thoát nước khu vực tương đối hoàn chỉnh, hầu hết các tuyến phố đã có tuyến cống, đảm bảo việc tiêu thoát nước khi có mưa vừa và nhỏ trong thời gian ngắn Tuy nhiên, các tuyến cống được xây dựng chưa đồng bộ, xuất hiện các điểm ngập cục bộ khi mưa vừa và lớn

Kích thước và chiều dài các tuyến cống lấy theo số liệu của công ty thoát nước Hà Nội, xí nghiệp thoát nước số 6

2.3.4.3 Lượng mưa

26

Khu vực nghiên cứu gần nhất với trạm đo mưa Hà Đông, do vậy ta có thể sử dụng

số liệu đo mưa ở trạm Hà Đông để tính toán cho mô hình mưa dòng chảy SWMM Số liệu đo mưa được thu thập trong 20 năm từ 1987 đến 2006

Bảng 2.1: Thống kê lượng mưa tại trạm Hà Đông

28

CHƯƠNG III: ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ ĐÔ THỊ HÓA ĐẾN KHẢ NĂNG TIÊU THOÁT NƯỚC CỦA HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC KHU V ỰC THANH XUÂN BẮC – TRUNG VĂN, LƯU VỰC TẢ SÔNG NHU Ệ

3.1 Mô tả khu vực Thanh Xuân Bắc - Trung Văn

3.1.1 Điều kiện tự nhiên

3.1.1.1 Vị trí địa lý

Khu vực Thanh Xuân Bắc – Trung Văn lưu vực Tả Sông Nhuệ Hà nội nằm trên địa bàn 02 phường Thanh Xuân Bắc, quận Thanh Xuân và Trung Văn, quận Nam Từ Liêm

có vị trí như sau:

- Phía Đông Bắc giới hạn là đường Khuất Duy Tiến

- Phía Đông Nam giới hạn là đường Nguyễn Trãi – Trần Phú

- Phía Tây Nam giới hạn là Sông Nhuệ

- Phía Tây Bắc giới hạn là Đại Lộ Thăng Long

Hình 3.1: Bản đồ khu vực Thanh Xuân Bắc - Trung Văn lưu vực tả sông Nhuệ Hà Nội

3.1.1.2 Địa lý, địa hình và địa mạo

29

Hệ thống thoát nước khu vực Thanh Xuân Bắc – Trung Văn lưu vực Tả Sông Nhuệ, nẳm ở vùng Đồng Bằng Sông Hồng, Toàn bộ lưu vực có diện tích tự nhiên gần 400 ha Địa hình dốc từ Bắc Xuống Nam, từ Đông Sang Tây Cao trình mặt đất thay đổi từ cao trình 7,0 ÷ 5,6, phổ biến ở cao độ 6,0 ÷ 6,6 m

3.1.1.3.Khí tượng

Hệ thống thoát nước nằm giữa vùng đồng bằng Bắc bộ nên nó mang các đặc điểm điển hình của khí hậu vùng đồng bằng Đó là kiểu khí hậu nhiệt đới gió mùa có mùa đông lạnh, cuối mùa ẩm ướt với hiện tượng mưa phùn, mùa hạ nóng và nhiều mưa

Nhiệt độ trung bình năm khoảng 23o

C ÷ 24oC Tổng nhiệt độ toàn năm khoảng 8.600oC Hàng năm có 3 tháng (từ tháng XII đến tháng II) nhiệt độ trung bình giảm xuống dưới 20oC Tháng I lạnh nhất, có nhiệt độ trung bình trên 16oC Mùa hè nhiệt

độ tương đối dịu hơn Có 5 tháng (từ tháng V đến tháng IX) nhiệt độ trung bình trên

25oC Tháng VII nóng nhất, có nhiệt độ trung bình trên dưới 29o

C

Bảng 3.1: Nhiệt độ trung bình tháng tại Hà Nội (0

C) Tháng

độ ẩm không khí tương đối cao

Bảng 3.3: Lượng bốc hơi trung bình tháng tại một số trạm khí tượng (mm)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Hà Nội 71,4 59,7 56,9 65,2 98,6 97,8 100,6 84,1 84,4 95,6 89,8 85,0 989,1

d Mưa:

Khu vực nghiên cứu gần nhất với trạm đo mưa Hà Đông, do vậy ta có thể sử dụng

số liệu đo mưa ở trạm Hà Đông để tính toán cho mô hình mưa dòng chảy SWMM Số liệu đo mưa được thu thập trong 20 năm từ 1987 đến 2006

Bảng 3.4: Thống kê lượng mưa tại trạm Hà Đông

f Mây

Lượng mây trung bình năm chiếm 75% bầu trời Tháng III u ám nhất có