(Luận án tiến sĩ) nghiên cứu cơ sở khoa học mô phỏng hệ thống cân bằng nước mặt trong úng ngập khu vực nội thành hà nội
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (18.57 MB, 213 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
_________________________
PHẠM MẠNH CỔN
NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC MÔ PHỎNG
HỆ THỐNG CÂN BẰNG NƢỚC MẶT TRONG ÚNG NGẬP
KHU VỰC NỘI THÀNH HÀ NỘI
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG
HÀ NỘI-2015
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
PHẠM MẠNH CỔN
NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC MÔ PHỎNG
HỆ THỐNG CÂN BẰNG NƢỚC MẶT TRONG ÚNG NGẬP
KHU VỰC NỘI THÀNH HÀ NỘI
CHUYÊN NGÀNH:
MÃ SỐ:
MÔI TRƢỜNG ĐẤT VÀ NƢỚC
62440303
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. PHẠM QUANG HÀ
PGS. TS. NGUYỄN MẠNH KHẢI
HÀ NỘI-2015
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên c ứu của riêng
tơi, đƣợc hồn thành dƣới sự hƣớng dẫn của PGS. TS. Phạm Quang Hà
và PGS. TS. Nguyễn Mạnh Khải.
Các kết quả đƣợc viết chung với tác giả khác đã đƣợc sự nhất trí
của đồng tác giả khi đƣa vào luận án. Số liệu nêu trong lu ận án là
trung thực và kết quả của nghiên cứu chƣa từng đƣợc ai công bố trong
bất kỳ công trình nào khác.
Nghiên cứu sinh
Phạm Mạnh Cổn
LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các Thầy hƣớng dẫn: PGS.
TS. Phạm Quang Hà và PGS. TS. Nguyễn Mạnh Khải. Nghiên cứu sinh xin trân trọng
cảm ơn sự hƣớng dẫn, giúp đỡ tận tình của các Thầy, các Cơ, cán bộ và nghiên cứu
viên của Khoa Mơi trƣờng, Khoa Khí tƣợng Thủy văn và Hải dƣơng học, Phòng Sau
Đại học, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội; đƣợc làm
việc với các Thầy, các Cô, các cán bộ và các nhà khoa học trẻ, là một hạnh duyên đối
với nghiên cứu sinh trong sự nghiệp làm khoa học cũng nhƣ trong cuộc đời.
Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Tạp chí Tia Sáng, Bộ Khoa học và Công
nghệ, nơi đã tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh phát triển sự nghiệp nghiên cứu khoa
học của mình.
Nghiên cứu sinh xin gửi lời tri ân tới mọi thành viên trong gia đình, tới Eltek
Việt Nam về những động viên và chia sẻ, về sự thông cảm của bạn bè, ngƣời thân vì
những khó khăn mà mọi ngƣời đã có thể phải gánh vác trong q trình nghiên cứu và
hoàn thiện luận án.
Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến DHI và DHI Việt Nam; sự
hỗ trợ của DHI trong việc cung cấp bản quyền sử dụng bộ công cụ MIKE FLOOD và
sự giúp đỡ của Bà Trần Thị Hồng Hạnh - cán bộ DHI Việt Nam, đóng một vai trị
quan trọng trong thành cơng của nghiên cứu khoa học này.
Hà Nội, ngày
tháng
năm
NCS. PHẠM MẠNH CỔN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG……………………………………………………….
DANH MỤC CÁC HÌNH ……………………………………………………….
MỞ ĐẦU ………………………………………………………………………....
1.
TÍNH CẤP THIẾT CỦA NGHIÊN CỨU ………………………………
2.
MỤC TIÊU CỦA NGHIÊN CỨU ………………………………………
3.
PHẠM VI VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU…………………………….
4.
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ………………………….
5.
Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA NGHIÊN CỨU …………………………
6.
CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN …………………………………………..
7.
LUẬN ĐIỂM BẢO VỆ CỦA NGHIÊN CỨU ………………………….
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ……………………………………………………
1.1.
CÂN BẰNG HỆ THỐNG NƢỚC, HỆ THỐNG CÂN BẰNG NƢỚC
MẶT NỘI ĐÔ …………………………………………………………...
1.1.1 Cân bằng hệ thống nƣớc khu vực đồi Buda Castle Hill …………………
1.1.2 Cân bằng hệ thống nƣớc lƣu vực Chao Phraya (Bangkok, Thái Lan) …..
1.1.3. Cân bằng hệ thống nƣớc mặt của nội đơ Thành phố Hồ Chí Minh ……...
1.2.
HỆ THỐNG CÂN BẰNG NƢỚC THỦ ĐÔ HÀ NỘI …………………..
1.2.1. Đặc điểm địa lý tự nhiên khu vực Hà Nội ……………………………….
1.2.2. Tình hình ngập lụt của Thủ Đơ Hà Nội ………………………………….
1.2.3. Hệ thống cân bằng nƣớc mặt lƣu vực Nhuệ-Đáy ………………………..
1.2.4. Hệ thống cân bằng nƣớc mặt nội đô Hà Nội qua các giai đoạn phát triển
1.2.5. Mạng lƣới tiêu thoát úng ngập của hệ thống cân bằng nƣớc mặt nội đơ Hà Nội
1.3.
TÌNH TRẠNG Ơ NHIỄM CỦA LƢU VỰC NHUỆ-ĐÁY VÀ KHU
VỰC NỘI ĐÔ - MẤT CÂN BẰNG CHẤT …………………………….
1.3.1. Hiện trạng ô nhiễm nguồn nƣớc sông ……………………………………
1.3.2. Hiện trạng ô nhiễm nguồn nƣớc hồ ……………………………………...
1.3.3. Các thông số ô nhiễm ……………………………………………………
1.4.
TỔNG QUAN VỀ CÔNG CỤ MÔ PHỎNG ……………………………
1.4.1. Một số mơ hình thơng dụng trong tính tốn tiêu thốt nƣớc đơ thị ……..
1.4.2. Lựa chọn mơ hình mơ phỏng ……………………………………………
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG BỘ CƠ SỞ DỮ
LIỆU, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MƠ HÌNH MƠ PHỎNG .……………
2.1.
PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU………………………………………..
2.1.1. Phƣơng pháp nghiên cứu kế thừa từ các tài liệu thứ cấp…………………
2.1.2. Phƣơng pháp quan trắc, lấy mẫu phân tích ơ nhiễm tại một số thủy vực
của nội đơ………………………………………………………………...
2.1.3. Phƣơng pháp phân tích, kiểm chứng và phân tích chuyên gia…………...
2.1.4. Phƣơng pháp khảo sát thực địa…………………………………………..
2.2.
XÂY DỰNG BỘ CƠ SỞ DỮ LIỆU MÔ PHỎNG CỦA HỆ THỐNG
CÂN BẰNG NƢỚC MẶT NỘI ĐÔ HÀ NỘI…………………………..
2.3.
XÂY DỰNG MẠNG LƢỚI THỦY LỰC CHO MƠ HÌNH MIKE MOUSE
1
4
5
10
10
12
13
14
14
15
16
18
18
22
23
26
29
29
30
32
35
40
48
48
49
50
53
53
61
63
63
63
64
65
66
68
70
2.3.1. Mạng tính tốn …………………………………………………………..
2.3.2. Điều kiện biên tính tốn …………………………………………………
2.4.
XÂY DỰNG MƠ HÌNH 2 CHIỀU TRONG MIKE 21…………………
2.5.
KẾT NỐI MIKE MOUSE VÀ MIKE 21………………………………..
2.6.
HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH…………………………….
2.6.1. Hiệu chỉnh mơ hình sử dụng các số liệu trận ngập úng năm 2008……….
2.6.2. Kiểm định với trận ngập lụt năm 2013…………………………………...
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……………………………………
3.1.
Kết quả đánh giá ô nhiễm môi trƣờng nƣớc mặt nội đô trong úng ngập,
mất cân bằng chất, quan hệ giữa MCB lƣợng và chất………….............
3.1.1. Các kết quả phân tích ơ nhiễm nƣớc mặt………………………………...
3.1.2. Tác động của nƣớc mƣa và nƣớc thải đô thị đến chất lƣợng nƣớc sông,
hồ khu vực nội thành Hà Nội, đánh giá độ tƣơng đồng…………………
3.1.3. Quan hệ giữa MCB chất và MCB lƣợng của hệ thống cân bằng nƣớc
mặt nội đô Hà Nội………………………………………………………..
3.2.
KẾT QUẢ XÂY DỰNG BỘ CƠ SỞ DỮ LIỆU…………………………
3.3.
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CÂN BẰNG NƢỚC MẶT NỘI
ĐÔ HÀ NỘI TRONG ÚNG NGẬP……………………………………...
3.3.1. Kết quả mơ hình mơ phỏng trận ngập úng 31/10/2008-1/11/2008………
3.3.2. Kết quả mơ hình mơ phỏng trận ngập úng ngày 8/8-9/8/2013…………..
3.3.3. Các thảo luận về mất cân bằng của hệ thống cân bằng nƣớc mặt nội đô Hà Nội..
3.3.4. Nguyên nhân úng ngập vùng nội đô Hà Nội……………………………..
3.4.
GIẢI PHÁP CẢI THIỆN TÌNH TRẠNG NGẬP ÚNG TẠI HỆ THỐNG
CÂN BẰNG NƢỚC MẶT NỘI ĐÔ HÀ NỘI…………………………..
3.4.1. Kịch bản 29 nút MCB……………………………………………………
3.4.2. Kịch bản 11 nút MCB……………………………………………………
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………………..
Kết luận…………………………………………………………………..
Kiến nghị…………………………………………………………………
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ………………….
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………….
PHỤ LỤC LUẬN ÁN……………………………………………………………
2
70
78
81
82
84
84
90
93
93
93
96
98
100
101
101
110
117
123
126
127
136
149
149
150
152
153
158
DANH MỤC VIẾT TẮT
Am
BĐKH
BOD
BTNMT
CB
CBN
COD
CSDL
DHI
DO
EPA
GIS
HN
MCB
MCBN
MTV
NN
Pm
QCVN
SWMM
t/p
TCVN
TNHH
VHLKH&CN VN
VIWASE
Buổi sáng (sáng)
Biến đổi khí hậu
Nhu cầu oxy sinh hóa
Bộ tài ngun và mơi trƣờng
Cân bằng
Cân bằng nƣớc
Nhu cầu oxy hóa học
Cơ sở dữ liệu
Viện Thủy lực Đan Mạch
Oxy hịa tan
Cơ quan bảo vệ mơi trƣờng Hoa Kỳ
Geography Information System
Hà Nội
Mất cân bằng
Mất cân bằng nƣớc
Một thành viên
Nhà nƣớc
Buổi chiều (chiều)
Quy chuẩn Việt Nam
Storm Water Management Model
Thành phố
Tiêu chuẩn ViệtNam
Trách nhiệm hữu hạn
Viện Hàn Lâm khoa học & công nghệ Việt Nam
Công ty Cổ phần nƣớc và Môi trƣờng Việt Nam
3
DANH MỤC CÁC BẢNG
STT
Nội dung
Trang
1
Bảng 1.1. Các tiểu lƣu vực trong lƣu vực Tô Lịch
40
2
Bảng 1.2. Một số hồ điển hình trên địa bàn nội đơ Hà Nội
42
3
Bảng 1.3. Hệ thống tiêu thốt nƣớc nội đơ, số liệu đến 1/2009
43
Bảng 1.4. Tổng hợp số lƣợng điểm úng ngập ứng với các trận mƣa
4
44
từ 50 mm đến 100 mm trong 8 năm (từ năm 2003 đến 2010)
5
Bảng 1.5. Số liệu một số trận mƣa lớn tại Hà Nội 1972-2013
45
Bảng 2.1. Các bản đồ đã sử dụng phục vụ tính tốn tiêu thoát
6
63
nƣớc mƣa
Bảng 2.2. Mực nƣớc tại thời điểm lấy mẫu phân tích trong mƣa,
7
cơn bão số 6, 8-9/8/2013 (mực nƣớc cao và thấp tại sông Tô
66
Lịch-Kim Ngƣu, Lừ, Sét và các hồ)
8
Bảng 2.3. Đặc trƣng của các kênh hở trong mơ hình tính tốn
71
9
Bảng 2.4. u cầu số liệu đối với từng hố ga trong mơ hình
76
10 Bảng 2.5. u cầu số liệu đối với từng đoạn cống trong mô hình
77
Bảng 2.6. Lựa chọn kết nối MIKE MOUSE và MIKE 21 trong
11
82
MIKE 21
12 Bảng 2.7. So sánh giá trị thực đo và tính tốn trận ngập 10/2008
86
Bảng 2.8. So sánh độ ngập sâu tính tốn và thực tế trận ngập
13
92
8/8-9/8/2013
Bảng 3.1. Kết quả phân tích chất lƣợng nƣớc hồ và nƣớc sông
14
94
nội thành Hà Nội ở mức nƣớc cao, trong lũ 09/8/2013
Bảng 3.2. Kết quả phân tích chất lƣợng nƣớc hồ và nƣớc sông
15
94
nội thành Hà Nội ở mức nƣớc 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
18 Bảng 3.5. Phân loại nút mất cân bằng
125
Bảng 3.6. So sánh số liệu về thời gian ngập, độ ngập sâu giữa
19 phƣơng án 11 nút MCB và 29 nút MCB, lƣợng mƣa tƣơng
148
đƣơng (31/10/2008)
4
DANH MỤC CÁC HÌNH
TT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
Nội dung
Hình 1. Hệ thống tiêu thốt nƣớc chính của nội đơ hình nan quạt
Hình 1.1. Biểu diễn một chu trình thủy văn chung
Hình 1.2. Thành phần khác nhau của dịng chảy tràn
Hình 1.3. Sơ đồ diễn tả các cấu thành tham gia vào tình trạng cân bằng của
hệ thống nƣớc tại khu vực Buda Castle Hill
Hình 1.4. Các hƣớng lũ cục bộ cộng thêm lũ do nƣớc chảy tràn bề mặt từ
hai đập thƣợng lƣu tấn cơng Băng Cốc tại trận lụt 11/2011
Hình 1.5. Biểu đồ tích xả nƣớc tại 2 hồ chứa nƣớc Bhumidol và Sirikit
năm 2011
Hình 1.6. Mạng lƣới số hóa lƣu vực Chao Phraya
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
Hình 1.8. Hơn 100 điểm ngập úng tại thành phố Hồ Chí Minh
Hình 1.9. Sơ đồ ngun nhân gây úng ngập cho thành phố Hồ Chí Minh
Hình 1.10. Ngập lụt phía đầu cầu Gia Lâm năm 1926 (ảnh trái) và ngập
lụt bờ hữu Hồng của Hà Nội năm 1926 (ảnh phải)
Hình 1.11. Sơ đồ lƣu vực Nhuệ - Đáy
Hình 1.12. Nền và địa hình Hà Nội dốc Tây-Đơng và Bắc-Nam
Hình 1.13. Mặt cắt biểu diễn hƣớng dốc lƣu vực Nhuệ-Đáy từ Tây sang
Đông, thấp nhất là khu vực sơng Tơ Lịch
Hình 1.14 Nƣớc ngập trên đƣờng 70, cạnh sông Nhuệ 9/8/2013-ảnh trái;
xả nƣớc ngƣợc trở lại Tô Lịch qua cửa Thanh Liệt, sau bão số 6; 9/8/2013
(ảnh phải)
Hình 1.15. Hà Nội năm 1873 với khu vực Hoàng Thành, khu phố cổ, khu phố
Pháp sau khi chiếm Hà Nội (trái) và Hà Nội năm 1935 (phải)
Hình 1.16. Sơ đồ mạng thủy lực hệ thống tiêu thoát nƣớc mặt nội đơ Hà Nội
Hình 1.17. Qui hoạch Hà Nội 1954-1960 (trái) và 1960-1964 (phải)
Hình 1.18. Qui hoạch Hà nội đến năm 2010 (lập năm 1986) và đƣợc điều
chỉnh năm 1998 cho phát triển đến năm 2020 (trái) và Qui hoạch Hà Nội
2030 tầm nhìn 2050 (phải)
Hình 1.19. Sơ đồ hệ thống thốt nƣớc của nội đơ Hà Nội
Hình 1.20. Xe bơm lƣu động và ống mềm (màu trắng) thoát nƣớc bằng bơm lƣu
động tại mƣơng Phan Kế Bính-Linh Lang ngày 8/8/2013
Hình 1.21. Úng ngập tại Phan Kế Bính (trái); khách sạn Daewoo, Kim Mã
(phải) ngày 8/8/2013
Hình 1.22. Sơ đồ thốt nƣớc nội đơ sau giai đoạn II
Hình 1.23. Một số các hoạt động trong khn khổ dự án thốt nƣớc
giai đoạn II. Bê tơng hóa mƣơng Phan Kế Bính
Hình 1.24. Chỉ số DO dọc sông Đáy (biểu đồ trái), dọc sông Nhuệ (phải)
5
Tr
16
18
20
22
24
25
26
27
27
27
31
32
33
33
35
35
36
37
39
40
45
46
47
47
50
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
Hình 1.25. Diễn biến chỉ số BOD5 trong nƣớc sơng Tô Lịch (màu xanh) và
sông Kim Ngƣu (màu đỏ) 10 năm gần đây
Hình 1.26. Diễn biến chỉ số BOD5 trog nƣớc Hồ Tây (màu xanh) và Hồ
Bảy mẫu (màu đỏ) trong 20 năm qua
Hình 1.27. Cấu trúc mơ hình MIKE FLOOD
Hình 1.28. MIKE FLOOD kết nối MIKE MOUSE-MIKE 21
Hình 1.29: Sơ đồ khối quy trình tính tốn, mơ phỏng và kiểm nghiệm..
Hình 2.1. Sơ đồ điểm lấy mẫu ơ nhiễm nƣớc mặt
Hình 2.2. Trạm cơng trình đầu mối Hồ Tây
Hình 2.3. Đo đạc cao độ mặt đƣờng khu Đội cấn – Giang Văn Minh
Hình 2.4. Đo đạc trên tuyến Văn Cao
Hình 2.5. Đo độ cao cửa phai Nguyễn Đình Chiều (hồ Bảy Mẫu) bằng sào
công tác, ảnh bên trái-chụp ngày 18/11/2013
Hình 2.6. Đo chiều rộng bên trong mƣơng ngầm bê tơng Phan Kế Bính (đang
trong q trình thi cơng) bằng thƣớc dây, ảnh bên phải-chụp 19/4/2012
Hình 2.7. Khu vực tính tốn
Hình 2.8. Các đặc trƣng thủy lực của mặt cắt tại sơng Tơ Lịch
Hình 2.9. Các đặc trƣng thủy lực của mặt cắt tại sơng Lừ
Hình 2.10. Giao diện nhập các thơng số mặt cắt kênh hở trong MIKE
MOUSE
Hình 2.11. Cấu trúc cây cơ sở dữ liệu phục vụ tính tốn tiêu thốt nƣớc
mặt nội đơ Hà Nội
Hình 2.12. Sơ đồ bố trí Ga Hàm Ếch và cống trên đƣờng phố
Hình 2.13. Mặt cắt dọc Ga Thăm trên tuyến cống trên phố Hồng Cầu
Hình 2.14. Ví dụ về bảng dữ liệu thông tin các hố ga trong nội thành Hà Nội
Hình 2.15. Ví dụ về mạng lƣới các hố ga, cống ngầm trên các tuyến trong
mơ hình
Hình 2.16. Minh họa về bảng số liệu các cống thốt nƣớc
Hình 2.17. Minh họa mặt cắt dọc cống thoát nƣớc trên phố Triệu Việt Vƣơng
Hình 2.18. Một phần của 2.704 tiểu vùng đƣợc phân chia trong khu vực tính tốn
Hình 2.19. Hộp số liệu các thơng số đặc trƣng của lƣu vực
Hình 2.20. Hộp số liệu kết nối các tiểu vùng với các hố ga
Hình 2.21. Hộp số liệu thơng số của mơ hình mƣa dịng chảy cho từng tiểu vùng
Hình 2.22. Mạng lƣới 1 chiều trong mơ hình MIKE MOUSE
Hình 2.23. Lƣới tính tốn 2 chiều
Hình 2.24. Kết nối giữa MIKE MOUSE và MIKE 21
Hình 2.25. Kết nối giữa các hố ga và các ơ lƣới
Hình 2.26. Biều đồ mƣa tại trạm Láng (30/10 – 5/11/2008)
Hình 2.27. Mực nƣớc trong cống trƣớc thời điểm mƣa tại tuyến phố Triệu
Việt Vƣơng
Hình 2.28. Mực nƣớc dâng cao tràn hố ga tại tuyến phố Triệu Việt Vƣơng
Hình 2.29. Diện ngập lụt lớn nhất nội thành Hà Nội tại trận ngập năm 2008
6
52
52
60
60
62
65
65
67
67
67
67
72
72
73
73
74
75
75
76
77
78
78
79
80
80
80
81
82
83
83
84
85
86
87
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
Hình 2.30. Biểu đồ hình cột và đồ thị so sánh giá trị vết lũ thực đo và tính tốn
Hình 2.31. Biểu đồ so sánh mức độ tƣơng quan giữa giá trị vết lũ thực đo
và tính tốn
Hình 2.32. So sánh mức độ tƣơng quan giữa giá trị tính tốn và thực đo
của trận úng ngập tháng 8/8-9/8/2013
Hình 2.33. Diện ngập khu vực nội đơ Hà Nội, ngày 8/8/2013
Hình 3.1. So sánh mức độ tƣơng đồng, theo chuẩn thống kê MINITAB
phiên bản 14.0.
Hình 3.2. Chỉ số COD khi mực nƣớc ở mức cao
Hình 3.3. Chỉ số COD khi mực nƣớc thấp
Hình 3.4. Chỉ số COD tại một điểm lấy mẫu với 3 mức nƣớc khác nhau
Hình 3.5. Biểu đồ quan hệ giữa độ ơ nhiễm và thời gian tích ơ nhiễm
Hình 3.6. Tình trạng úng ngập, thời điểm 4.00 am, tồn bộ bắc nội đơ
Hình 3.7.Tình trạng úng ngập, thời điểm 6:00 am, tồn bộ bắc nội đơ
Hình 3.8. Tình trạng úng ngập, thời điểm 7:00 am, toàn bộ bắc nội đơ
Hình 3.9. Tình trạng úng ngập, thời điểm 8:00 am, tồn bộ bắc nội đơ
Hình 3.10. Tình trạng úng ngập, thời điểm 9:00 am, tồn bộ bắc nội đơ
Hình 3.11. Ngập lụt phía Bắc nội đơ Hà Nội, thời điểm 10:00 am,
31/10/2008
Hình 3.12. Ngập lụt phía Nam nội đơ Hà Nội, thời điểm 10:00 am,
31/10/2008
Hình 3.13. Ngập lụt nội đơ Hà Nội, thời điểm 12:55 pm, 31/10/2008
Hình 3.14. Nút Phan Kế Bính-Đội Cấn, thời điểm 4:00 am, 31/10/2008
Hình 3.15. Tuyến phố Đội Cấn chƣa bị úng ngập tại thời điểm
4:00 am, 31/10/2008
Hình 3.16. Mất cân bằng xảy ra tại thời điểm 5:00 am tại giao cắt
Phan Kế Bính-Đội Cấn
Hình 3.17. Úng ngập xảy ra trên toàn tuyến Đội Cấn, thời điểm
6:00 am, 31/10/2008
Hình 3.18. Trạng thái gần tới hạn tại tuyến Cát Linh-Mƣơng Hào Nam
6:00 am, 31/10/2008
Hình 3.19. Úng ngập xảy ra trên toàn tuyến Cát linh, 7:00 am, 31/10/2008
Hình 3.20. Diễn tiến lƣợng mƣa trong các ngày 8 và ngày 9/8/2013
Hình 3.21. Ngập lụt nội đơ Hà Nội, thời điểm 1:00 pm, ngày 8/8/2013
Hình 3.22. Tình trạng MCB tiếp tục xảy ra tại cống liên kết mƣơng Phan
Kế Bính-Đội Cấn, 1:00 pm, ngày 8/8/2013
Hình 3.23. Úng ngập trên tuyến Đội Cấn, 1:00 pm ngày 8/8/2013
Hình 3.24. Tình trạng MCB tại nút Trần Bình Trọng-Nguyễn Du,
1:00 pm, ngày 8/8/2013
Hình 3.25. Úng ngập trên tuyến Nguyễn Du, 1:00 pm, ngày 8/8/2013
Hình 3.26. Điểm phát úng tại phố Trần Quốc Toản xuất hiện lúc
11:30 am, 8/8/2013
7
88
89
90
91
97
98
99
99
100
101
102
102
103
103
104
105
105
106
107
107
108
108
109
111
111
112
113
113
113
114
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
111
112
113
114
115
116
Hình 3.27. Điểm phát úng tại phố Láng Hạ xuất hiện lúc
11:00 am, 8/8/2013
Hình 3.28. Điểm phát úng tại phố Bạch Mai-Thanh Nhàn xuất hiện lúc
11:15 am, 8/8/2013
Hình 3.29. Điểm phát úng tại tuyến Chùa Bộc-Tây Sơn-Tô Lịch xuất hiện
lúc 11:00 am, 8/8/20133
Hình 3.30. Sơ đồ điểm phát úng, thời điểm 11:30 am, 8/8/2013
Hình 3.31. MCB dọc trên tồn tuyến Bạch Mai-Giải Phóng-Linh Đàm
Hình 3.32. Giao cắt Cát Linh-Hào Nam khơng bị MCB trong bão số 6
Hình 3.33. Tăng cƣờng độ mƣa lên 20%, MCB đã xảy ra tại cống Hào Nam
Hình 3.34. Thiếu liên kết, úng ngập xảy ra tại giao cắt Thanh Bảo-Nguyễn
Thái Học
Hình 3.35. Úng ngập cục bộ do liên kiết kém:Trần Hƣng Đạo, Lý Thƣờng
Kiệt vào tuyến cống thốt dọc Trần Bình Trọng
Hình 3.36. Vị trí cửa phai Trần Bình Trọng
Hình 3.37. Diễn tiến nƣớc đổ vào hồ Bảy Mẫu tại cửa phai Trần Bình Trọng
Hình 3.38. Ngƣỡng tràn cửa phai Trần Bình Trọng 7:30 pm (8/8/2013)
Hình 3.39. Nút MCB Trần Khát Chân-Kim Ngƣu
Hình 3.40. Nút MCB Minh Khai-Kim Ngƣu
Hình 3.41. Phân bổ nút mất cân bằng trên mạng lƣới tiêu thốt nƣớc
Hình 3.42. Liên kết Đội Cấn–Phan Kế Bính, 7:00 am (31/10/08)
Hình 3.43. Úng ngập trên phố Đội Cấn, MCB liên kết, 7:00 am (31/10/08)
Hình 3.44. Trạng thái tại liên kết Đội Cấn–Phan Kế Bính, 7:00 am
(31/10/08), sau khi áp dụng KB 29 nút MCB
Hình 3.45. Úng ngập trên phố Đội Cấn, sau áp dụng KB 29 nút MCB tại tuyến
liên kết, 7:00 am (31/10/08)
Hình 3.46. Úng ngập đƣợc cải thiện tại Đội Cấn, 10:00 am (31/10/2008)
Hình 3.47. Úng ngập tại giao cắt Cát Linh - Hào Nam, 10:00 am (31/10/200)
Hình 3.48. Úng ngập tuyến Minh Khai-Bạch Mai-Kim Ngƣu, 10:00 am
(31/10/2008)
Hình 3.49. Úng ngập của mạng tiêu thoát hiện tại, mƣa xảy ra tƣơng đƣơng
thời điểm 7:00 am (31/10/2008), khơng áp dụng kịch bản thốt úng
Hình 3.50. Úng ngập của mạng tiêu thốt hiện tại, mƣa xảy ra tƣơng
đƣơng thời điểm 7:00 am (31/10/2008), áp dụng kịch bản 29 nút MCB
Hình 3.51. Úng ngập của mạng tiêu thoát hiện tại, mƣa xảy ra tƣơng đƣơng
thời điểm 10:00 am (31/10/2008), khơng áp dụng kịch bản thốt úng
1.
Hình 3.52. Úng ngập của mạng tiêu thốt hiện tại, mƣa tƣơng
đƣơng thời điểm 10:00 am (31/10/2008), áp dụng giải pháp 29 nút MCB
Hình 3.53. Úng ngập mạng tiêu thốt hiện tại, mƣa tƣơng đƣơng thời điểm
11:00 am (31/10/2008), không kịch bản MCB
Hình 3.54. Úng ngập cho mạng tiêu thốt hiện tại, mƣa tƣơng đƣơng thời
điểm 11:00 am (31/10/2008), sau kịch bản 29 nút MCB
8
115
115
116
116
117
118
118
119
120
121
121
122
122
122
124
130
131
131
132
132
132
133
134
134
135
135
136
136
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
Hình 3.55. Vị trí 11 nút MCB trong tổng thể hệ thống nƣớc mặt nội đơ
Hình 3.56. Úng ngập trên tuyến Đội Cấn, 1:00 pm (8/8/2013), khơng kịch
bản nút MCB
Hình 3.57. Cải thiện úng ngập trên tuyến Đội Cấn, 1:00 pm (8/8/2013), có
kịch bản nút MCB
Hình 3.58. Úng ngập tràn lên mặt phố Thanh Bảo-Trịnh Hồi Đức, 1:00
pm (8/8/2013), khơng áp dụng nút MCB
Hình 3.59. Hết úng ngập tại Thanh Bảo-Trịnh Hồi Đức, 1:00 pm (8/8/2013), sau
giải pháp nút MCB
Hình 3.60. Xử lý nút MCB liên kết Nguyễn Du-Trần Bình Trọng, 1:00 pm
(8/8/2013)
Hình 3.61. Xử lý nút MCB trong liên kết Nguyễn Du-Trần Bình Trọng,
1:00 pm (8/8/2013)
Hình 3.62. Úng ngập tại Bạch Mai - Minh Khai-Kim Ngƣu, 1:00 pm
(8/8/2013)
Hình 3.63. Kết quả 11 nút MCB tại Bạch Mai -Minh Khai – Kim Ngƣu,
1:00 pm (8/8/2013)
Hình 3.64. Úng ngập nội đơ, 11:30 am (8/8/2013), khơng giải pháp MCB
Hình 3.65. Úng ngập nội đơ, 11:30 am (8/8/2013), Ứng dụng 11 nút MCB
Hình 3.66. Úng ngập nội đô, 12:00 am (8/8/2013), không giải pháp MCB
Hình 3.67. Úng ngập nội đơ, 12:00 am (8/8/2013),Ứng dụng 11 nút MCB
Hình 3.68. Úng ngập nội đơ, 1:00 pm (8/8/2013), khơng giải pháp 11 nút MCB
Hình 3.69. Úng ngập nội đô tại thời điểm 1:00 pm (8/8/2013), sau giải
pháp 11 nút MCB
Hình 3.70. Úng ngập nội đơ, 1:00 pm (8/8/2013), khơng giải pháp 11 nút MCB
Hình 3.71. Úng ngập nội đô, 1:00 pm (8/8/2013), sau giải pháp 11 nút MCB
Hình 3.72. Úng ngập năm 2008, tuyến Đội Cấn, 10:00 am (31/10/2008)
Hình 3.73. Ứng dụng giải pháp 11 nút MCB, cải thiện úng ngập tuyến Đội
Cấn, 10:00 am (31/10/2008)
Hình 3.74. Ứng dụng giải pháp 29 nút MCB, hết úng ngập trên toàn tuyến,
10:00 am (31/10/2008)
9
139
140
149
140
140
141
141
142
142
143
143
144
144
145
145
146
146
147
147
147
MỞ ĐẦU
Hà Nội “Ở giữa khu vực trời đất, được thế rồng chầu hổ phục, chính
giữa nam bắc đơng 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 Đơ”, Lý Cơng Uẩn đã xuất sắc lƣu lại cho
con cháu muôn đời sau hiểu đƣợc những gì mà Ơng đã lựa chọn cho một Thủ Đô
muôn đời. Những điều mộc mạc và tƣởng nhƣ đơn giản ấy: “rộng mà bằng
phẳng”…“cao và sáng sủa”…“dân cƣ không khổ, thấp tối tăm, muôn vật hết sức
tƣơi tốt phồn thịnh”, v.v.. chính là sự tổng hợp một cách sinh động của những
khảo sát và đánh giá về mơi trƣờng Hà Nội tại thời điểm đó; hơn thế nữa, đó cịn
là tiêu chí cho mơi trƣờng của Thủ Đơ hơn một nghìn năm sau.
Nằm ở vị trí từ 20°53' đến 21°23' độ vĩ Bắc và 105°44' đến 106°02' độ kinh
Đơng, đƣợc che chắn ở phía Bắc - Đơng Bắc bởi dãy Tam Đảo và ở phía Tây
bằng dãy núi Ba Vì - Tản Viên, Thủ Đơ Hà Nội nằm trong vùng tam giác châu
thổ sông Hồng, là một trong những vựa lúa quan trọng nhất trong suốt chiều dài
lịch sử của nƣớc Việt từ hàng ngàn năm nay, là trung tâm địa chính trị quan trọng
nhất của nƣớc cộng hịa xã hội chủ nghĩa Việt Nam [11].
Đó là Hà Nội, địa linh nhân kiệt, Thủ Đô ngàn đời của non sơng đất Việt,
thành phố vì hịa bình (City of Peace) nhƣ 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, ln đóng vài
trò là trung tâm của các hoạt động giữ nƣớc và dựng nƣớc, Hà Nội đã không chỉ
chứng kiến những thời kỳ phát triển thịnh vƣợng mà còn là chứng tích của nhiều
giai đoạn thăng trầm của đất nƣớc.
10
Vào những năm đầu của thế kỷ 21, Hà Nội đã có dân số hơn 6 triệu ngƣời,
trong đó có hơn 1,5 triệu dân đang sống và làm việc trong khu vực nội thành với
mật độ rất cao. Trong khi mật độ dân số trung bình của Hà Nội là 1.979
ngƣời/km², thì tại một số quận, thí dụ nhƣ quận Đống Đa, mật độ dân số lên tới
35.341 ngƣời/km² [10, 42]. Hơn thế nữa, trong bối cảnh hội nhập và mở cửa hiện
nay, sự phát triển của Hà Nội nói chung và việc bùng nổ trong mở rộng nội đô ra
các đơ thị ngoại vi song hành với q trình bê tơng hóa nội đơ Hà Nội nói riêng
đã cho thấy những tiêu chuẩn về một môi trƣờng xanh, sạch đẹp nhƣ Lý Công
Uẩn đặc tả trong Chiếu dời Đô đã bị vƣợt quá giới hạn, một trong những biểu
hiện đó chính là tình trạng mất cân bằng trầm trọng về môi trƣờng nƣớc của Thủ
Đô.
Chỉ từ đầu năm 2008 đến giữa năm 2010, UBND thành phố Hà Nội đã phê
duyệt cho 223 dự án nhà cao tầng (từ 9 tầng trở lên) đƣợc phép đầu tƣ. Điều này
giải thích một phần lý do tăng dân số tại bốn quận nội thành Hà Nội cũ trƣớc
năm 1995, từ khoảng 80 vạn ngƣời lên tới hơn 1,5 triệu ngƣời tại nội thành hiện
nay. Trong khi đó, các quy hoạch cải tạo, nâng cấp các hệ thống hạ tầng kỹ thuật
trong các giai đoạn khác nhau đã khơng đạt tính kế thừa, do đó khơng phát huy
đƣợc hiệu quả đầu tƣ và đây đƣợc coi là những nguyên nhân cơ bản làm cho môi
trƣờng nƣớc mặt nội thành xuống cấp, bị ô nhiễm nặng nề [15].
Thực tế đã chỉ ra rằng, dù đã có rất nhiều tiến bộ với các kế hoạch cải tạo
mạng lƣới tiêu thoát nƣớc ngắn, trung và dài hạn, cho đến thời điểm này, khu vực
nội đô của Hà Nội vẫn luôn bị đe dọa bởi úng ngập mỗi khi có bão và mƣa về
[15]. Ngay cả sau dự án thốt nƣớc giai đoạn I với các cơng trình đầu mối đƣợc
cải tạo nhằm mục đích thốt úng với lƣợng mƣa 172 mm/2ngày, tình trạng úng
ngập của nội đơ Hà Nội vẫn có nhiều diễn tiến phức tạp, khó kiểm sốt và diễn ra
nhiều lần hàng năm [42].
Bên cạnh việc úng ngập chƣa đƣợc kiểm sốt, tình trạng ô nhiễm môi
trƣờng nƣớc của nội đô Hà Nội cũng đang là vấn đề nan giải: “Hệ thống thoát
nƣớc ở Hà Nội cũ cũng nhƣ ở nhiều đô thị khác trong thủ đô Hà Nội, đều là hệ
11
thống chắp vá giữa khu cũ và khu mới, giữa lạc hậu và hiện đại, chƣa có hệ thống
thốt nƣớc thải riêng với thoát nƣớc mƣa. Hiện nay, Hà Nội cũ mới xử lý đƣợc
khoảng 5% nƣớc thải sinh hoạt, cịn lại 95% nƣớc thải sinh hoạt đơ thị chỉ đƣợc
xử lý sơ bộ rồi đổ thẳng vào sông, hồ, gây ra ô nhiễm trầm trọng môi trƣờng
nƣớc mặt” [15].
Đã có nhiều nghiên cứu khoa học và thực tiễn trong việc giải quyết tình
trạng ngập úng và ơ nhiễm mơi trƣờng nƣớc Hà Nội, song chƣa có những giải
pháp thực sự hữu hiệu, kết hợp đƣợc việc giải quyết tình trạng úng ngập và giảm
thiểu ô nhiễm môi trƣờng nƣớc của nội đơ [29].
Bên cạnh đó, các bộ cơ sở dữ liệu đã có cịn phân tán, chƣa đƣợc tổ chức
đầy đủ và đồng bộ; dẫn đến tình trạng khơng hiệu quả trong hợp tác về ứng dụng
mô phỏng để có thể chỉ ra đƣợc nguyên nhân và lƣợng hóa tình trạng mất cân
bằng của mơi trƣờng nƣớc nội đơ 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 nƣớc mặt
khu vực nội đô Hà Nội.
b.
Xác định các yếu tố quyết định trong hệ thống cân bằng nƣớc mặt của khu
vực nghiên cứu, chỉ ra những nguyên nhân làm mất cân bằng hệ thống về
chất và lƣợng (ô nhiễm, ngập úng).
c.
Đề xuất giải pháp, góp phần khắc phục tình trạng mất cân bằng cho hệ
thống tiêu thốt nƣớc nội đơ, từng bƣớc giảm thiểu tình trạng ngập úng và
cải thiện ô nhiễm cho môi trƣờng nƣớc của Thủ Đô, từ cục bộ đến tổng
thể.
12
4. Phạm vi và nội dung nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu:
Lƣu vực sông Tô Lịch, bao gồm các quận nội thành nhƣ Ba Đình, Hồn
Kiếm, Hai Bà Trƣng, Đống Đa và một phần các quận Tây Hồ, Cầu Giấy, Thanh
Xuân và Hoàng Mai, cùng với toàn bộ hệ thống tiêu thốt nƣớc từ hệ thống sơng
tiêu hở, hệ thống cống ngầm cho đến hệ thống hồ điều hòa cũng nhƣ các cơ sở hạ
tầng là phạm vi không gian của nghiên cứu.
Nghiên cứu tiến hành trên cả hai phƣơng diện của hệ thống cân bằng nƣớc
mặt; cân bằng về lƣợng - tức nghiên cứu về úng ngập trong mùa mƣa bão và cân
bằng về chất - tức nghiên cứu về ô nhiễm nƣớc mặt tại một số thủy vực bị ảnh
hƣởng thƣờng xuyên trong các thay đổi về ô nhiễm và úng ngập đan xen.
Cho đến nay, tình trạng mất cân bằng của môi trƣờng nƣớc nội đô Hà Nội
là kết quả của q trình phát triển Thủ Đơ trải qua nhiều giai đoạn lịch sử. Bộ cơ
sở dữ liệu đƣợc tập hợp và phát triển trong nghiên cứu thể hiện tính kế thừa và
phát triển, đƣợc 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 nƣớc, những vấn đề úng ngập
và ô nhiễm nƣớc mặt vùng nội đô Hà Nội theo luận điểm hệ thống cân
bằng nƣớc
e.
Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu phục vụ nghiên cứu hệ thống cân bằng nƣớc
mặt nội đô Hà Nội
f.
Ứng dụng công cụ mô phỏng để nghiên cứu mất cân bằng về lƣợng của
hệ thống
g.
Nghiên cứu điểm về ô nhiễm nƣớc mặt tại một số thủy vực đặc trƣng
trong quan hệ lƣợng và chất trên quan điểm hệ thống cân bằng nƣớc
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.
13
5. Đóng góp mới của luận án
Trong q trình nghiên cứu về hệ thống cân bằng nƣớc mặt đối với khu
vực nội đô Hà Nội, luận án đã tập hợp và xây dựng đƣợc bộ cơ sở dữ liệu đầy đủ
về hệ thống tiêu thốt nƣớc nội đơ; bao gồm các hệ thống mƣơng hở, hệ thống
cống ngầm chính của toàn bộ khu vực tƣơng ứng với các giai đoạn phát triển. Bộ
cơ sở dữ liệu này đƣợc tổ chức có hệ thống, số hóa, đã thể hiện tính ứng dụng và
hiệu quả cao trong việc mô phỏng cũng nhƣ sử dụng các kết quả này để xây dựng
bộ mô hình mơ phỏng úng ngập cho hệ thống nƣớc mặt nội đơ Hà Nội.
Luận án đã có những đóng góp mới nhƣ sau:
1. Các kết quả thu đuợc từ bộ mơ hình mơ phỏng thủy động lực học (ứng dụng với
MIKE FLOOD kết hợp từ các mô đun MIKE URBAN, MIKE 11 và MIKE 21)
đƣợc thiết lập theo các quy trình mơ phỏng đã hiệu chỉnh và kiểm nghiệm trên bộ
cơ sở dữ liệu đo đạc của hệ thống cân bằng nƣớc mặt tƣơng ứng. Những phân tích
từ kịch bản mô phỏng đã chỉ ra đƣợc các mối liên hệ trong hoạt động có tính động
của hệ thống tiêu thốt nƣớc mặt nội đơ. Việc hình thành các điểm phát úng và úng
ngập là kết quả của tình trạng mất cân bằng cục bộ gây ra. Luận án đã xác định
đƣợc 29 nút mất cân bằng cục bộ trong hệ thống hiện tại của mạng tiêu thốt
nƣớc nội đơ; chính tình trạng mất cân bằng cục bộ từ các nút mất cân bằng này là
nguyên nhân gây nên úng ngập cho khu vực nội đô Hà Nội.
2. Từ việc xác định đƣợc nguyên nhân úng ngập, nghiên cứu đề xuất một số giải
pháp kỹ thuật tác động lên các nút mất cân bằng chủ đạo của hệ thống nhằm cải
thiện tình trạng úng ngập cho khu vực nội đơ. Các kết quả mơ phỏng đã chỉ ra tính
khả thi của giải pháp này, từ đó dẫn đến kết luận rằng giải pháp đề xuất có thể đƣợc
ứng dụng trong thực tiễn phịng chống úng ngập hiện tại, cũng nhƣ góp phần vào
công tác quản lý môi trƣờng nƣớc 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 đƣa ra bộ giải pháp
úng ngập mang tính thực tiễn, góp phần cải thiện tình trạng úng ngập và ô nhiễm
môi trƣờng nƣớc cho nội đô Hà Nội.
14
Các cơ quan quản lý và thực thi dự án phịng và chống ngập lụt cho nội đơ của Hà
Nội cũng nhƣ các đơn vị nghiên cứu chuyên ngành có thể sử dụng bộ cơ sở dữ liệu đã
đƣợc đăng ký bản quyền để ứng dụng trong các tính tốn và ứng dụng mô phỏng ngập
lụt. Cách tiếp cận nghiên cứu hệ thống cân bằng nƣớc với các kết quả đạt đƣợc về các bộ
giải pháp úng ngập cho môi trƣờng nƣớc mặt nội đơ của Hà Nội có thể đƣợc áp dụng cho
các thành phố khác tại Việt Nam và trên thế giới trong những điều kiện tƣơng tự.
7. Cấu trúc của luận án
Chƣơng 1 đƣa ra một số nghiên cứu tổng quan, dẫn luận về cân bằng hệ
thống nƣớc và hệ thống cân bằng nƣớc mặt, những điều kiện tự nhiên và các yếu
tố đặc thù tác động đến tình trạng mất cân bằng về lƣợng và chất của hệ thống
nƣớc mặt nội đô, cũng nhƣ tổng quan về các phƣơng pháp mơ hình mơ phỏng
thƣờng sử dụng trong nghiên cứu ngập lụt đơ thị.
Chƣơng 2 trình bày chi tiết về phƣơng pháp, công cụ nghiên cứu, quy trình
xây dựng bộ cơ sở dữ liệu, cũng nhƣ quá trình hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình mơ
phỏng nhằm phục vụ thảo luận và tìm ra giải pháp.
Chƣơng 3 trình bày kết quả và thảo luận, bao gồm các kết quả phân tích
mẫu nƣớc mặt tại một số thủy vực đặc trƣng của hệ thống nƣớc mặt nội đô ở mức
nƣớc cao trong mùa mƣa đƣợc đối chiếu với các kết quả phân tích ở cùng vị trí
vào thời điểm nƣớc cạn.
Trên cơ sở nghiên cứu kết quả mơ hình mô phỏng hệ thống nƣớc mặt khu
vực nội đô Hà Nội tại các trận lũ tiêu biểu năm 2008 và năm 2013, chƣơng 3 đi
sâu vào phân tích và thảo luận các vấn đề mất cân bằng trong vận hành động của
hệ thống, chỉ ra những nguyên nhân làm mất cân bằng về lƣợng và chất, trực tiếp
gây ô nhiễm và ngập úng; tiếp theo, chƣơng 3 đề xuất các giải pháp khắc phục
tình trạng mất cân bằng cục bộ, từng bƣớc cải thiện tình trạng ngập úng cho hệ
thống nƣớc mặt vùng nội đô Hà Nội.
8. Luận điểm bảo vệ của nghiên cứu
Hệ thống thốt nƣớc mặt nội đơ 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
15
trung tâm ra ngồi (longitudinal) (Hình 1); trong khi đó, hệ thống cống (ngầm,
hở) từ các khu vực cục bộ của nội đơ đƣợc kết nối vào hệ thống hình nan quạt
này nhƣ những vòng cung, nhiều lớp, từ trong ra ngoài tạo thành các mối liên kết
theo phƣơng ngang (tranversal).
Hình 1. Hệ thống tiêu thốt nƣớc chính của nội đơ hình nan quạt [40]
Luận điểm 1:
Hệ thống tiêu thốt nƣớc mặt nội đô Hà Nội với các yếu tố cấu thành: hệ
thống sơng tiêu, hồ điều hịa, mƣơng hở, cống ngầm, v,v.. thoát nƣớc thải và
nƣớc mƣa từ trung tâm nội đô ra các sông tiêu, liên kết với nhau, tạo nên một hệ
thống cân bằng nƣớc 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 đơ Hà Nội có thể là kết quả của hai kịch bản:
a.
Mất cân bằng giữa hệ thống thốt nƣớc mặt nội đơ với hệ thống nƣớc bên
ngồi thơng qua hai liên kết chính là đập Thanh Liệt (nối với lƣu vực Nhuệ-Đáy)
và trạm bơm Yên Sở (trực tiếp bơm nƣớc nội đô ra sông Hồng).
b.
Đã tồn tại những nút mất cân bằng mà tại đó, sự liên kết có thể giữa các
tuyến dọc với các tuyến ngang, giữa các tuyến cống với hồ điều hòa, giữa các
tuyến cống với sông tiêu trong trạng thái cân bằng động bị phá vỡ, trực tiếp gây
16
nên tình trạng mất cân bằng cục bộ. Mất cân bằng cục bộ là nguyên nhân gây nên
úng ngập cục bộ và là xuất phát điểm dẫn tới úng ngập vùng nội đô Hà Nội.
Luận án tập trung vào nghiên cứu điểm (b) của Luận điểm bảo vệ 1 với
mục tiêu xác định các điểm mất cân bằng cục bộ của hệ thống; từ đó, đề xuất các
giải pháp, giải quyết từng bƣớc tình trạng úng ngập của khu vực nội đơ, từ cục bộ
đến tổng thể.
Luận điểm 2:
Mơ hình hóa bằng phƣơng pháp mơ phỏng đối với hệ thống cân bằng
nƣớc mặt là giải pháp hiệu quả để phát hiện các nút mất cân bằng giữa các phụ hệ
trong hoạt động mang tính cân bằng động của hệ thống, là cơ sở khoa học cho
việc giải quyết bài toán úng ngập của nội đô Hà Nội.
Luận điểm 3:
Hệ thống cân bằng nƣớc mặt nội đô bị mất cân bằng về chất khi ô nhiễm
xảy ra trong hệ thống do thiếu lƣợng nƣớc cần thiết để pha loãng nƣớc thải bị ơ
nhiễm. Phân tích các mẫu nƣớc mặt tại cùng một thủy vực ở mực nƣớc cao (khi
có mƣa lũ) và mực nƣớc cạn (khơng có mƣa) sẽ chỉ ra sự ô nhiễm của hệ thống
nƣớc mặt nội đô đƣợc giảm thiểu nhƣ thế nào trong úng ngập.
17
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1
CÂN BẰNG HỆ THỐNG NƢỚC, HỆ THỐNG CÂN BẰNG NƢỚC
MẶT NỘI ĐÔ
Những yêu cầu ngày càng cao về mục đích sử dụng, khai thác và tiêu
chuẩn vận hành đối với các hệ thống nƣớc nói chung cùng với sự thay đổi phức
tạp và khó lƣờng của biến đổi khí hậu, cộng thêm với sức ép của quá trình đơ thị
hóa và phát triển kinh tế xã hội trong thời đại hội nhập đã và đang đặt ra thêm
nhiều thách thức cho vấn đề cân bằng của các hệ thống nƣớc nói chung và hệ
thống nƣớc mặt nói riêng. Mất cân bằng của các hệ thống nƣớc sẽ dẫn đến những
tác động xấu đối với môi trƣờng và các hoạt động dân sinh, kinh tế nói chung
nhƣ: ngập lụt (dƣ thừa về lƣợng), hạn hán (thiếu hụt về lƣợng), ô nhiễm (các đơn
chất và hợp chất gây ô nhiễm vƣợt quá khả năng tự làm sạch và/hoặc tiêu chuẩn
cho phép).
Hình 1.1. Biểu diễn một chu trình thủy văn chung [70]
Sự cân bằng của hệ thống nƣớc dựa trên quy luật bảo toàn vật chất
(conservation of mass): bất kỳ một sự thay đổi nào đối với sự hiện diện của nƣớc
tại một hệ thống cụ thể trong một khoảng thời gian xác định, phải bằng hiệu số
giữa lƣợng giáng thủy vào hệ thống với lƣợng nƣớc thoát ra khỏi chính hệ thống
đó.
18
Cân bằng nƣớc một hệ thống là kết quả của bốn pha trạng thái mà một chu
trình thủy văn có thể kết hợp; đó là giáng thủy (precipitation), thốt hơi
(evapotraspiration), chảy tràn bề mặt (surface runoff) và nƣớc chảy ngầm
(ground water) nhƣ đƣợc trình bày tại Hình 1.1. Khơng phụ thuộc vào bản chất
của các vấn đề về nƣớc đƣợc hệ thống qui định, cân bằng một hệ thống nƣớc là các
diễn biến thủy lực để đạt đƣợc những thay đổi có thể trong hệ thống đó [66]. Khái
niệm cân bằng hệ thống nƣớc bao gồm cân bằng hệ thống nƣớc mang tính khơng
gian (spatial) và thời gian (time) [70].
Có nhiều biểu thức để diễn đạt tính cân bằng về lƣợng của các hệ thống
nƣớc, một trong số đó là biểu thức: [67, 70]:
=
+∑
(1.1)
Trong đó:
: Lƣợng nƣớc cuối cùng tồn đọng lại sau các quá trình thủy văn (mm)
: Lƣợng nƣớc chảy thoát ra khỏi hệ thống trên bề mặt tại ngày i
Lƣợng nƣớc thoát bốc hơi tại ngày i
:
:Lƣợng nƣớc thấm vào hệ thống biên
: Dịng chảy ngầm thốt khỏi hệ thống trong ngày thứ i
[66]
Nhƣ vậy, hệ thống cơ sở có thể là một hệ đơn, có thể là hệ thống lớn, tổng
hợp của nhiều hệ thống đơn lẻ với sự tham gia của các dòng chảy ngầm (Ground
water:
, các dòng chảy tràn bề mặt (Suface run off-
đọng của một lƣợng nƣớc có sẵn
, cũng nhƣ sự tồn
. Đối với một hệ
thống nƣớc mặt nội đơ, do tình trạng bị bê tơng hóa trên diện rộng nên đại diện cho
lƣợng nƣớc thấm vào
khơng ảnh hƣởng đến q trình vận hành của hệ
thống [70]
19
Đặc điểm hệ thống nƣớc mặt
Hình 1.2. Thành phần khác nhau của dòng chảy tràn tại hệ thống nƣớc mặt
- Q1 là dòng chảy tràn bề mặt (surface runoff or overland flow). Tại Hình 1.2: là
nƣớc chảy trên bề mặt của hệ thống hƣớng ra nơi tiêu thốt chính, thƣờng là kết
quả của lƣợng nƣớc đƣa vào hệ thống vƣợt quá khả năng thấm hay tiêu thoát tại
chỗ của hệ thống đó. Đối với một hệ thống tiêu thốt nƣớc mặt nội đơ, dịng chảy
tràn xảy ra khi mƣa lớn, trong khi khả năng thoát nƣớc của hệ thống hố ga, cống
dẫn khơng đủ tiêu thốt 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 dƣới
mặt đất (dòng chảy dƣới mặt đất (xác định đƣợc) khác với dịng chảy ngầm
(thƣờng khơng xác định rõ ràng) [70]. Đối với hệ thống nƣớc mặt nội đơ, đây
chính là tồn bộ hệ thống gom nƣớc từ các hố ga cho đến hệ thống cống ngầm
khu vực và tổng thể, trƣớc khi đổ vào hệ thống tiêu thốt chính của lƣu vực nội
đơ (gồm sơng Lừ, sơng Sét, sông Kim Ngƣu trƣớc khi đổ vào Tô Lịch) [41-43].
- Q3 là dòng chảy ngầm (ground water runoff or base flow): là dòng chảy đƣa
nƣớc tới hệ thống tiêu thoát khu vực (hệ thống cống) hay tới hệ thống tiêu thốt
tổng thể (sơng tiêu) hoặc là sự kết hợp của cả hai hệ thống này [70]; đối với hệ
thống tiêu thốt nƣớc mặt nội đơ, Q2 và Q3 có thể đƣợc coi là một. Đặc biệt, tại
các hệ thống cân bằng nƣớc mặt nội đơ, do tính chất bê tơng hóa cao của hệ
thống nên khơng có sự tham gia của các hệ nƣớc ngầm [43].
Trong khi các quá trình nghiên cứu về cân bằng hệ thống nƣớc nói chung
dẫn đến một mục đích cụ thể cần phải đạt đƣợc, thí dụ nhƣ cân bằng cung-cầu về
20
nƣớc (lƣu vực sông Thạch Hãn [36]), cân bằng giữa tích nƣớc và xả (nhƣ của lƣu
vực Chao Phraya-Băng Cốc [62]), thì một hệ thống nƣớc mặt nội đơ đƣợc xây
dựng và phát triển theo những thiết kế nhất định, luôn phải là một hệ thống cân
bằng động trong các chu trình thủy động lực với các điều kiện cụ thể về lƣợng
mƣa và tƣơng tác giữa các thành phần cấu thành nhƣ các hệ thống con. Sự mất
cân bằng cục bộ trong hoạt động theo thiết kế của các hệ thống con của một hệ
thống nƣớc mặt chính, đã làm cho hoạt động chung của hệ thống nƣớc mặt theo
thiết kế bị mất cân bằng với những hậu quả khó lƣờng trƣớc nhƣ úng, ngập
nghiêm trọng hay ơ nhiễm nặng nề [62, 70].
Hệ thống cân bằng nƣớc mặt nội đơ là một hệ thống nƣớc có mạng lƣới
tiêu thốt nƣớc mặt đƣợc thiết kế nhằm đạt đƣợc mục đích cân bằng nhất định,
tức là thoát đƣợc úng ngập theo các tiêu chí đã đƣợc thiết kế riêng cho hệ thống
đó trong điều kiện vận hành động (thí dụ hệ thống cân bằng nƣớc mặt nội đô Hà
Nội sau dự án giai đoạn I phải tiêu thoát đƣợc lƣợng mƣa 172 mm/2ngày), tức
đạt đƣợc cân bằng theo thiết kế [40, 41].
Cân bằng hệ thống nƣớc mặt nội đô ở một giới hạn đƣợc xác định có thể
là quy trình xem xét và tác động để đạt đƣợc năng lực tiêu thoát úng ngập trong
vận hành động về lƣợng (xem xét khả năng tiêu thốt úng ngập cho nội đơ trong
điều kiện úng ngập nhất định) hay về chất (đánh giá và tác động để giảm thiểu
mức độ ô nhiễm của hệ thống nƣớc mặt nội đô trong úng ngập). Để làm rõ hơn
các phân tích này, nghiên cứu sẽ trình bày một số trƣờng hợp cụ thể dƣới đây
nhƣ cân bằng trong việc cung cấp nƣớc cho một hệ thống nội đơ, ở đó có sự tồn
tại của các cơng trình cổ nằm ngầm đơi khi chƣa đƣợc phát hiện, do đó phát sinh
thêm các tham số phụ trong tính toán nhƣ tại khu vực đồi Buda Hill, Budapest
của Hungary [61]. Tiếp theo là trƣờng hợp cân bằng lƣu vực Chao Phraya của
Thái Lan [62], đòi hỏi cân bằng trong đơn vị thời gian theo tháng và theo mùa
(mùa mƣa). Luận án sẽ từng bƣớc giới thiệu về hệ thống nƣớc Nhuệ - Đáy mà
tính cân bằng trong hoạt động của hệ thống này có thể ảnh hƣởng tới khu vực nội
21
