Ứng dụng mô hình thủy văn đô thị mô phỏng mức độ ngập do gia tăng mực nước triều và khả năng thoát nước cho hệ thống kênh Tân Hóa – Lò Gốm ở thành phố Hồ Chí Minh

Bài viết Ứng dụng mô hình thủy văn đô thị mô phỏng mức độ ngập do gia tăng mực nước triều và khả năng thoát nước cho hệ thống kênh Tân Hóa – Lò Gốm ở thành phố Hồ Chí Minh trình bày việc ứng dụng mô hình PC SWMM để mô phỏng ảnh hưởng của việc gia tăng mực nước biên đối với khả năng thoát nước của luu vực.

TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Bài báo khoa học Ứng dụng mơ hình thủy văn thị mơ mức độ ngập gia tăng mực nước triều khả nước cho hệ thống kênh Tân Hóa – Lị Gốm thành phố Hồ Chí Minh Hồng Thị Tố Nữ1, Từ Thiếu Quyên2, Vũ Thị Vân Anh1, Nguyễn Thị Hồng Thảo3, Cấn Thu Văn1* Trường Đại học Tài nguyên Môi trường TP.HCM; nu.htt@hcmunre.edu.vn; vtvanh@hcmunre.edu.vn; ctvan@hcmunre.edu.vn Sở Nông nghiệp Phát triển nông thôn tỉnh Trà Vinh; quyentuqldd@gmail.com Viện Quy hoạch xây dựng miền nam; hongthaosgtl@gmail.com *Tác giả liên hệ: ctvan@hcmunre.edu.vn; Tel.: +84–983738347 Ban Biên tập nhận bài: 12/6/2022; Ngày phản biện xong: 22/7/2022; Ngày đăng: 25/8/2022 Tóm tắt: Với vai trị trung tâm kinh tế, thương mại du lịch nước, Thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM) có tốc độ thị hóa nhanh kéo theo nhiều hệ lụy sở hạ tầng, vấn đề ngập đô thị nặng nề Lưu vực Tân Hóa–Lị Gốm nằm ranh Tây Nam nội thành giáp ranh giới với ngoại vị Kênh chảy từ hướng Đông Bắc đến khu Tây Nam qua quận: Tân Bình (khu Bàu Cát), quận 11, 6, 8, Bình Chánh kết thúc kênh Tàu Hũ Tổng diện tích lưu vực 2.498 (chiếm 3,8% diện tích thành phố) Nghiên cứu ứng dụng mơ hình PC SWMM để mô ảnh hưởng việc gia tăng mực nước biên khả thoát nước luu vực Kết nghiên cứu cho thấy giải pháp hồ điều tiết có hiệu điều kiện biến đổi khí hậu ứng với kịch đưa Từ khóa: Ngập lụt thị TPHCM; Mơ hình SWMM; Kênh Tân Hóa–Lị Gốm Mở đầu Thành phố Hồ Chí Minh thành phố lớn miền nam nước ta, thành phố giữ vai trò trung tâm kinh tế, thương mại du lịch nước giới Cùng với phát triển kinh tế gia tăng dân số thúc đẩy tăng nhanh tốc độ cơng nghiệp hóa, thị hóa Vì gây nhiều vấn đề ảnh hưởng đến môi trường đô thị Một vấn đề cần phải giải tình trạng ngập nước nước đô thị Mặc dù, nhà nước quan tâm đầu tư xây dựng cơng trình chống ngập tình trạng ngập chưa cải thiện đáng kể Xét điều kiện địa hình: Địa hình TPHCM tương đối phẳng, bờ tây sơng Sài Gịn Nhà Bè phân thành vùng địa hình Vùng phía tây có địa hình thấp cao độ từ 0,7–1 m huyện Bình Chánh, khu vực vùng đất cao kể vùng đất đồi Hóc Mơn (8–10 m) Gị vấp 10m khu đô thị hữu (2–8 m) [1–2] Xét điều kiện khí tượng: Khí hậu TPHCM bị ảnh hưởng gió mùa nhiệt đới nên có nhiệt độ cao, độ ẩm cao, có mây nhiều Các mùa tương tự với khí hậu miền Nam vào mùa hè, chịu ảnh hưởng gió mùa Tây Nam vào mùa đơng chịu ảnh hưởng gió mùa Tây Bắc [1–2] Xét điều kiện thủy văn: Sông rạch TP bao gồm mạng lưới gắn kết với phức tạp Mạng lưới kênh rạch dầy với tổng chiếu dài gần 100 km toàn TP Các Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2022, 740, 22-35; doi:10.36335/VNJHM.2022(740).22-35 http://tapchikttv.vn/ Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2022, 740,22-35; doi:10.36335/VNJHM.2022(740).22-35 23 kênh Bến Nghé, Tham Lương, Vàm Thuật, Nhiêu lộc Thị nghè, Tàu Hũ, kênh đôi, kênh Tẻ Tân Hóa–Lị Gốm Mạng lưới kênh bị ảnh hưởng lớn thủy triều, số kênh bị ảnh hưởng triều từ nhiều hướng kết chất ô nhiễm bị lưu giữ lại kênh Thời gian triều cường từ tháng 9–12, triều thấp từ tháng 4–8 mực triều trung bình từ tháng 1–3 Trong lưu vực TH–LG thấy ảnh hưởng triều lên đến số 3,57 (đến cầu Tân Hóa) Do khơng có trạm kiểm sốt TH–LG, khơng có số liệu triều ghi nhận Tuy nhiên để tham khảo, ý sơng Sài Gịn có khác biệt trung bình 1,8 m năm triều cao triều thấp Trong lưu vực Tân Hóa– Lị Gốm có khác biệt tương tự [3–4] Về mực nước ảnh hưởng theo mùa TPHCM có hai mùa: mùa mưa từ tháng VI đến tháng XII lại mùa khô Mực nước khác biệt khoảng 75 cm tháng IX tháng X (tháng mưa nhiều nhất) tháng III, IV (tháng khô nhất) Vào mùa khô lượng nước thải chậm, nhiễm mặn sông quan trọng Mọi vấn đề thoát nước kênh liên quan đến tác động triều suất kênh mức thời gian triều cường Về lượng mưa: Lượng mưa lớn thường diễn vào tháng IX tháng VI, lượng mưa trung bình 355 mm 313 mm Mưa thường chảy trút nước, tốc độ nhanh, thường kéo dài từ 30’ đến Lượng nước mưa tối đa 179 mm kéo dài 24h ghi nhận vào tháng 9/1942 Lượng mưa mùa gió mùa vào tháng đơng từ 51 mm vào tháng tháng 9, 4,7 mm vào tháng Từ tháng 12 đến tháng lượng mưa [3–4] Về hệ thống cống thoát nước: Mạng lưới lưu vực TH–LG phức tạp phân bố thay đổi Hệ thống phân thành cấp tùy theo kích cở chức Hệ thống thoát nước lưu vực dài 157,1 km (cống cấp 3) đổ vào kênh 25 cửa xả kênh nhánh Hệ thống cống hữu phạm vi nghiên cứu gồm đường ống có đường kính 0,8m lớn số đường ống nhỏ chưa biết Chức hệ thống cống hệ thống cống chung mang nước mưa, nước thải từ bể tự hoại, nước thải nước cống thô Các kỹ sư Pháp thiết kế hệ thống bắt đầu xây dựng vào đầu năm 1870 Việc xây dựng tiếp tục theo giai đoạn tốc độ thị hóa Một bề mặt lớn lưu vực khơng có hệ thống nước riêng [3–4] Nước ta có tốc độ thị hóa tăng nhanh gắn liền với nhu cầu phát triển hạ tầng thị Đơ thị hóa kéo theo q trình bê tơng hóa lấn chiếm sơng ngịi, ao hồ, tàn phá thảm thực vật, làm thu hẹp, thay đổi dịng chảy q trình lưu giữ tự nhiên nước Các cơng trình kết cấu hạ tầng (đường sá, sân bãi, ) chiếm dụng bề mặt tự nhiên làm giảm lực tiêu thoát tự nhiên, làm tăng lưu lượng dòng chảy bề mặt giảm thẩm thấu nước xuống lòng đất, giảm khả bổ sung chỗ nguồn nước ngầm gây đơn điệu cảnh quan, xạ nhiệt bê tơng hóa [5] Thực trạng cho thấy, nhiều thị nước ta có hệ thống nước thường xuyên bị tải quan tâm đầu tư Ngập úng thường xuyên xảy thị nước, như: TP Hồ Chí Minh, Hà Nội, Đà Nẵng, Hải Phòng thường xuyên xảy ngập úng mưa lớn nguyên nhân khác Các giải pháp thoát nước theo hướng bền vững có từ năm 70 kỷ trước nước giới trọng phát triển Hệ thống SuDs với giải pháp kỹ thuật sinh thái thử nghiệm thành công nhiều nước phát triển: Tokyo thủ đô đạt nhiều kết đáng ghi nhận lĩnh vực này; SuDS có mặt khắp thành phố Vương quốc Anh riêng Scotland tính tới năm 2002 có 1.300 dự án SuDs thực [5] Trên giới có nhiều nghiên cứu, ứng dụng mơ hình khác để mơ đề xuất phương án thoát nước chống ngập như: Hiệu chỉnh mơ hình dịng chảy mặt theo thời gian, đánh giá tác động thủy lực Mơ hình đánh giá tác động dài hạn nhân tố thủy lực, nghiên cứu thay đổi trực tiếp dòng chảy mặt theo thời gian điều kiện sử dụng đất khác Và tác động dài hạn nhân tố thủy văn với lưu vực sông Sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính để kiểm định việc đánh giá tác động dài hạn nhân tố thủy lực dự đốn dịng chảy trực tiếp Mơ hình thử nghiệm ba lần Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2022, 740,22-35; doi:10.36335/VNJHM.2022(740).22-35 24 lưu vực sông Little Eagle Creek, Indian Kết phát sinh thêm vấn đề, chúng kiểm sốt qua sản phẩm dịng chảy mặt, dự đốn cách có hệ thống dịng chảy mặt trực tiếp việc đánh giá tác động dài hạn nhân tố thủy lực so sánh với liệu quan sát thực tế [6–7] Mơ hình hệ thống nước kép (Dual Multilevel Urban Drainage Model), tác giả sử dụng hệ thống thoát nước kép, mạng lưới kênh hở phía mặt đường, hệ thống cống kín phía để giảm lưu lượng đỉnh hệ thống Đặc biệt mơ hình cho thấy mối quan hệ thủy động lực dòng chảy mạng mạng Đây mơ hình nghiên cứu vấn đề nước thị, nhiên mơ hình chưa ứng dụng rộng rãi thực tế [8–9] Ở Việt Nam nói chung thành phố Hồ Chí Minh nói riêng, nghiên cứu phục vụ tiêu nước cho thị khơng ngừng phát triển, nhiên, mơ hình chưa ứng dụng rộng rãi thực tế Ngưỡng mưa khác tham gia hệ thống cơng trình cho thấy tính hữu hiệu Đã có báo cáo, nghiên cứu: Nghiên cứu khả thi thiết kế sơ dự án thoát nước TP HCM lưu vực Nhiêu Lộc Thị Nghè Báo cáo trình bày liệu thủy văn cho lưu vực Nhiêu Lộc Thị Nghè Báo cáo đặc biệt hữu ích sử dụng SWMM khu vực đô thị với đặc điểm tương tự kênh TH–LG Đồng thời trình bày lại lượng mưa phân tích thủy văn khác chi tiết phương pháp luận dòng chảy, sử dụng cho việc áp dụng mơ hình SWMM TP.HCM [10–11]; Luận chứng kinh tế kỹ thuật tiêu nước cải tạo nhiễm hệ kênh rạch Tân Hố–Lị Gốm Trong luận chứng nước mưa phân chia khu vực với cấp địa hình khác nhau, có hướng nước khác nhằm giải nước mưa vùng cao không chảy vào vùng thấp gây ngập Các vùng cao hệ thống cống thoát nước có nhiệm vụ tiêu lượng mưa trận mưa lớn năm Mực nước triều kênh rạch chọn vào tháng IX Các vùng thấp hệ thống thoát nước chịu ảnh hưởng thủy triều, mực nước ngồi sơng mang tính định [12]; Các kết tính tốn mực nước kênh Lị Gốm Báo cáo trình bày bảng thống kê mực nước kênh Lò Gốm Tài liệu cung cấp giá trị kiểm tra hữu ích cho mơ hình giới thiệu tư vấn quốc tế Thái Bình Dương tái tạo lại nghiên cứu nay; Sự thay đổi khí hậu, thị hóa tình trạng ngập TPHCM Bài báo liệu thủy văn ứng với tình hình thay đổi khí hậu Đây tài liệu cần thiết cho vấn đề nghiên cứu Đưa lý giải tình trạng ngập úng thành phố ứng với số liệu Sử dụng mơ hình thủy lực SWMM để mơ dịng chảy hệ thống kênh cống, điển hình lưu vực TH–LG [13–16]; Ứng dụng kỹ thuật sinh thái, xây dựng hệ thống tiêu thoát nước đô thị bền vững Tác giả nghiên cứu nguyên nhân gây ngập mưa, triều mưa triều kết hợp chủ yếu ngập mưa Cái nghiên cứu thực tiêu thoát nước mưa thị giải pháp bền vững, hình thành hệ thống tiêu thoát nước mưa gắn kết chặt chẽ với hệ sinh thái tự nhiên Các giải pháp kỹ thuật sinh thái đa dạng lựa chọn phù hợp với mức độ thị hóa Đây tài liệu cần cho nghiên cứu nghiên cứu hệ thống nước thị [17] Tuy vậy, ứng với khu vực, lưu vực sông kênh cụ thể mơ hình ứng dụng có tính khả thi khác kênh Tân Hóa–Lị Gồm nghiên cứu sử dụng mơ hình PC SWMM để làm cơng cụ mơ khả tiêu thoát nước cho khu vực Phương pháp nghiên cứu 2.1 Giới thiệu lưu vực nghiên cứu Mỗi năm TP.HCM chịu nhiều trận ngập nghiêm trọng không mùa mưa mà mùa triều cao Do thiếu tu, địa hình đất đai thấp, lượng mưa lớn giai đoạn ngắn, triều cao không đủ hệ thống trị thủy thoát nước, số khu vực TPHCM bị ảnh hưởng ngập lụt Tình trạng ngập lụt kéo dài 1–2 ngày mùa mưa Lưu vực TH–LG chia thành vùng Một khu đất cao bao phủ vùng thượng nguồn kênh (quận 11 Tân Bình), phần đất thấp phần lớn nằm quận Phần Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2022, 740,22-35; doi:10.36335/VNJHM.2022(740).22-35 25 thượng nguồn có địa hình thấp nhơ (cao độ 6–8 m mực nước biển) Phần phía tây nam lưu vực Lị Gốm cao độ m huyện Bình Chánh quận hai vùng đất đầm lầy thấp Phần lớn quận 6, 8, 11 cao độ m Đường đồng mức m xem ranh giới quan trọng mực nước triều sông lên đến 1,4 m mực nước biển Nó xem rãnh thu nước nước có hiệu cho vùng đất có cao độ m m hệ thống thoát nước bị ảnh hưởng triều Trong lưu vực TH–LG diện tích ngập lụt 578,8 Khu vực rộng lớn bị ngập thiếu hệ thống thoát nước nằm phần phía tây lưu vực quận quận Tân Bình Ở quận nguyên nhân thứ bị ngập lượng nước thải kênh bị tải, đặc biệt phường 14, 11 Số lượng lớn đất trũng ngày trước khu đất thấp nơi điều tiết tự nhiên quan trọng, năm gần số lượng đất trũng quận bị lấp nên ngập lụt xảy ngày nhiều khơng có giải pháp [3–4, 13–15] Hình Bản đồ địa hình lưu vực Tân Hóa–Lị Gốm [4] 2.2 Cơ sở lý thuyết mơ hình SWMM Mơ hình quản lý nước mưa (Storm Water Management Model – SWMM) xây dựng với tài trợ liên tục quan bảo vệ môi trường Mỹ số mơ hình tiếng việc tính tốn nước mưa thị Mơ hình quản lý nước nước mưa SWMM mơ hình tốn học tồn diện mơ khối lượng tính chất dịng chảy thị mưa hệ thống cống (kênh) thoát nước thải chung Mọi vấn đề thủy văn đô thị chất lượng nước mơ phỏng, bao gồm dịng chảy mặt, dịng chảy ngầm, vận chuyển qua mạng lưới hệ thống tiêu thoát nước, hồ chứa khu xử lý Mơ hình PC SWMM mô dạng mưa thực tế sở lượng mưa (biểu đồ trình mưa hàng năm) số liệu khí tượng đầu vào khác hệ thống mô tả (lưu vực, vận chuyển, hồ chứa/ xử lý) để dự đoán trị số chất lượng khối dịng chảy Mơ hình PC SWMM xây dựng sở gồm hai khối mơ đun có cấu trúc sau (Hình 2) [18–22]: Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2022, 740,22-35; doi:10.36335/VNJHM.2022(740).22-35 26 Dòng chảy ( Khối Runoff ) Truyền tải chảy mặt ( Khối Transport ) Trữ/xử lý ( Khối Storage/Treatment ) Chảy hệ thống ( Khối Extran ) Nhận nước ( Khối Receiving ) Hình Sơ đồ làm việc PC SWMM Hệ phương trình đạo hàm riêng cho hệ thống dịng chảy cống thoát nước xuất phát từ hệ phương trình dịng khơng ổn định 1D Saint–Venant a Phương trình liên tục dịng khơng ổn định: A A V +V +A =0 t x x (1) Trong A diện tích mặt cắt ngang, V lưu tốc trung bình mặt cắt ngang dịng chảy, x khoảng cách dọc theo lòng dẫn, t thời gian Gọi Q lưu lượng dòng chảy: V = Q/A (2) Thay (2) vào (1), tìm được: A Q (3) + =0 t x b Phương trình động lượng dịng không ổn định: S f = So − h V V V − − x g x g t (4) Trong Sf độ dốc thủy lực; So độ dốc đáy; g gia tốc trọng trường Thay (2) vào (4) sau số biến đổi, tìm được:  Q  (Q / A) H + + gA + gAS f = t x x (5) Với: H = z + h cột nước đo áp (z cao độ đáy, h chiều sâu nước Độ dốc đáy S o = dz/dx bao hàm gradient H Trong Mơn học thủy lực, phương trình động lượng dùng ống phương trình liên tục dùng nút Như động lượng bảo toàn ống liên tục nút Phương trình (5) cải biến nhờ biểu thức: Q2/ A = V2A (6)  Q2       A  =  ( V A ) = 2AV   V + V  A x x x x (8) Thay (7) vào (5), nhận phương trình động lượng với biến phụ thuộc Q, A, V H Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2022, 740,22-35; doi:10.36335/VNJHM.2022(740).22-35 27 Q V A H (8) + 2AV + V2 + gA + gASf = t x x x Nhân hai vế (1) V xếp lại được: V A A (9) AV = −V − V2 x t x Cuối thay (9) vào (8) để khử số hạng V/x, phương trình động lượng kết hợp với phương trình liên tục dạng sau: Q A A H (10) + gASf − 2V − V2 + gA =0 t t x x Trong (10), độ dốc thủy lực xác định nhờ biểu thức Manning: n2 Sf = QV AR 4/3 (11) Trong n hệ số nhám Manning, R bán kính thủy lực Dấu giá trị tuyệt đối (11) làm cho Sf đại lượng có hướng bảo đảm lực ma sát luôn ngược chiều dịng chảy Như phương trình cuối để giải là:  Q gn A A H + 4/3 Q V − 2V − V2 + gA =0 t R t x x (12) Sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn với sơ đồ áp dụng vào phương trình (12), sau số biến đổi nhận phương trình rời rạc sau đây:       Q + 2Vt  A  + V t  A − A1    t     t  t L       (13) Q t +t =   H − H1  gn     + 4/3  −gAt   R V   L   Trong Qt+t Qt lưu lượng cuối đầu thời đoạn t; V,A,R trung bình có gia trọng giá trị tương ứng hai đầu ống vào thời điểm t; (A/t) t đạo hàm theo thời gian A từ bước thời gian trước Các ẩn số (13) Qt+t , H2 H1 Các đại lượng V,A,R có quan hệ với Q H Do đó, cần có phương trình liên hệ Q H Đó phương trình liên tục nút: H/t = Q/As (14) Hay dạng sai phân: Ht+t = Ht + Qt t /Ast (15) với As diện tích mặt thống nút Các phương trình (13) (15) giải liên tiếp nhằm xác định lưu lượng ống cột nước nút cho bước thời gian t Ưu điểm phương pháp sai phân hữu hạn theo sơ đồ đơn giản, dễ lập trình máy tính có nhược điểm bị hạn chế bước thời gian Để bảo đảm ổn định lời giải số, bước thời gian t phải thỏa mãn điều kiện Courant sau đây: * Đối với ống: t  L/ (gD)1/2 (16) Trong D chiều sâu tối đa ống Vế phải (16) thời gian cần cho sóng động lực truyền chiều dài L ống * Đối với nút: t  0,1 As Hmax / Q (17) Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2022, 740,22-35; doi:10.36335/VNJHM.2022(740).22-35 28 Trong Hmax độ dâng lớn mặt nước bước thời gian; Q tổng lưu lượng thực chảy vào nút Bước thời gian t chọn giá trị nhỏ hai giá trị cho (16) (17) Theo kinh nghiệm, t = 15  30 s thích hợp 2.3 Cơ sở liệu - Biên mực nước: Dao động mực nước triều gán nút 101 (giao đầu rạch Ơng Bng kênh Tàu Hủ) mơ hình triều tiêu tính tốn mơ hình tổng thể, ứng với mực nước sơng Sài Gịn trạm Phú An 1,43 m, tương ứng với tần suất thiết kế 10% (Hình 3) BIỂU ĐỒ TRIỀU 2.00 MỰC NƯỚC( m) 1.50 1.00 0.50 0.00 -0.50 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 -1.00 GIỜ Hình Quá trình mực nước triều Lượng mưa (mm) - Mơ hình mưa thiết kế: Mơ hình mưa sử dụng tính tốn lấy theo trạm Tân Sơn Nhất với chu kỳ tràn cống lặp lại năm dựa theo kết xử lý CDM (Công ty tư vấn Camp Dresser Mckee) Hệ số triết giảm áp dụng cho lưu vực nhỏ đề nghị lấy (Hình 4) BIỂU ĐỒ MƯA THIẾT KẾ TH-LG 180phút, năm, bước thời gian 15 phút 33.1 35 30 25 20 18.5 15 11.6 7.9 10 4.9 4.9 2.9 2.9 13:30 13:45 1.6 1.6 1.6 1.6 12:00 12:15 12:30 12:45 13:00 13:15 14:00 14:15 14:30 14:45 Thời gian (h) Hình Biểu đồ mưa thiết kế - Các thơng số khác: Kênh TH–LG chịu trách nhiệm thoát nước cho lưu vực TH–LG Hàng Bàng (HB) Do tổng diện tích nghiên cứu mơ hình khoảng 1700 ha, bao gồm hệ thống thoát nước TH–LG HB Độ dốc địa hình tiểu lưu vực lưu vực nghiên cứu xác định trực tiếp dựa đồ số hóa lưu vực Tỉ lệ diện tích phần khơng thấm so với tổng diện tích ước tính theo cấu sử dụng đất lâu dài 55–75% Giả thiết bỏ qua bốc thời đoạn tính tốn ngắn Các số liệu mặt cắt tuyến kênh rạch lấy theo dự án thoát nước cho lưu vực TH–LG Cao độ mặt đất lấy theo cao độ tự nhiên xác định đồ số hóa, nhiên vùng trũng thấp, cao độ mặt đất giả định cao độ san tối thiểu +2m (theo định số752/QĐ–Ttg Thủ Tướng Chính Phủ ngày 19/06/2001 v/v phê duyệt Quy Hoạch tổng thể hệ thống thoát nước TP HCM đến năm 2020) Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2022, 740,22-35; doi:10.36335/VNJHM.2022(740).22-35 29 Sơ đồ thoát nước: Sơ đồ trạng: Toàn hệ thống trạng sơ đồ hóa thành 180 tiểu lưu vực, 221 đoạn ống 181 nút (Hình 5a) Sơ đồ thiết kế: Toàn hệ thống trạng cải tạo mở rộng theo thiết kế sơ đồ hóa thành 162 tiểu lưu vực, 164 đoạn ống 163 nút (Hình 5b) Sơ đồ thiết kế có số tiểu lưu vực, số đoạn ống nút sơ đồ trạng thiết kế đường ống có độ nhỏ bị bỏ thay đường ống có độ to hơn, số đường ống kép hai bên đường chuyển thành đường ống đơn đường (a) (b) Hình (a) Sơ đồ trạng lưu vực TH–LG; (b) Sơ đồ thiết kế lưu vực TH–LG Kết thảo luận 3.1 Kết mô trạng ngập lụt * Kết hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình Dùng phương án trạng để kiểm nghiệm mơ hình cách so sánh điểm ngập có từ việc mơ mơ hình với điểm ngập từ khảo sát thực tế Sau thực mô mơ hình PC SWMM, kết sau: Số điểm quan sát 180 điểm Trong có 74 điểm ngập chiếm 41% Cịn theo khảo sát thực tế số điểm ngập 99 điểm, chiếm 55% tổng số điểm Như tỉ lệ mô tả thành công mô hình khoảng 75% Do số liệu điều tra trạng kênh cống không đầy đủ thiếu tin cậy nên tỉ lệ thành công cao, cho thấy mơ hình có khả tái tình trạng ngập lưu vực TH–LG Nghiên cứu sử dụng mực nước biên thay đổi cho phù hợp với thực tế dao động mực nước triều chế độ vận hành cống ngăn triều Bảng trình bày kết so sánh trường hợp mực nước biên: (1) cố định 1,31 m (2) dao động theo thủy triều với đỉnh max 1,43 m (Bảng 1) Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2022, 740,22-35; doi:10.36335/VNJHM.2022(740).22-35 30 Bảng Kết phương án thiết kế cải tạo mở rộng trường hợp biên mực nước cố định dao động theo thủy triều Biên Mực nước cố định Quan sát Tổng thời gian ngập (phút) Số điểm ngập 163 9.448,1 17 Dao động theo mực nước thủy triều 163 2.583,6 17 Theo kết mô biên mực nước cố định dẫn đến kết sai lệch nhiều với biên dao động theo triều Trong đó, theo kết tính tốn thủy lực dự án quy hoạch thoát nước chi tiết TPHCM mực nước ngã ba Lị Gốm–Tàu Hủ khơng phải mực nước độc lập mà chịu ảnh hưởng chế độ mưa–dịng chảy tồn lưu vực rộng Vậy để giải tình trạng ngập, việc mở rộng cải tạo hệ thống kênh cống phương án thiết kế, điều kiện biên mơ hình mưa sử dụng tính tốn lấy theo trạm Tân Sơn Nhất với chu kỳ lặp lại năm dựa theo kết sử lý CDM, mực nước dao động theo triều trạm Phú An tháng 10/2002 giải ngập mưa thời điểm tại, không giải tình trạng ngập triều Cho nên để giải tình trạng ngập triều, phương án kết hợp nâng cao độ (phương án chọn dự án) kết hợp tổ hợp cống ngăn triều bơm 3.4 Mô ảnh hưởng việc gia tăng mực nước biên với khả thoát nước lưu vực đề xuất biện pháp khắc phục Dưới ảnh hưởng biến đổi khí hậu (BĐKH) mực nước sơng có xu hướng gia tăng (Bảng 2) Bảng Xu gia tăng mực nước cao hàng năm thời kỳ 1990–2017 Trạm Tốc độ tăng (cm/năm) Vũng Tàu Phú An Nhà Bè Thủ Dầu Một Tân An Bến Lức Biên Hòa –0,08 1,45 1,17 0,94 1,94 1,63 Kết kiểm tra xu tăng mực nước lớn hàng năm trạm thủy văn khu vực theo phương pháp Mann–Kendall Sen trình bày bảng Bảng Đánh giá xu tăng mực nước lớn hàng năm trạm thủy văn Zmax (cm) Phú An Vũng Tàu Thủ Dầu Một Nhà Bè Biên Hòa Bến Lức Tân An n 18 18 18 18 18 18 18 Mann–Kendall Z 4,03 –0,04 4,46 3,27 1,86 3,88 2,88 Sen's Q 1,455 0,000 0,900 1,167 1,800 1,917 1,941 Sen's B 108,82 134,00 100,70 116,58 138,30 92,00 97,76 COV 0,06 0,06 0,05 0,06 0,11 0,09 0,12 Đánh giá Tăng mạnh Không tăng Tăng mạnh Tăng mạnh Tăng Tăng mạnh Tăng mạnh Lượng mưa thiết kế cho trận mưa 180 phút nghiên cứu đề xuất CDM, 90,3 mm 105,4 mm, tương ứng với chu kỳ lặp lại năm, với hệ số triết giảm Trong tính toán nghiên cứu sử dụng lại giá trị tính tốn CDM dự phóng theo xu cho thời kỳ 10 năm để đánh giá khả làm việc hệ thống thoát nước thời kỳ 2008 (giá trị tham chiếu), 2018, 2028, 2038, 2048 2058 Các thông số thiết kế hệ thống nước mưa mơ mơ hình PC SWMM cho hai phương án thiết kế với ảnh hưởng việc gia tăng mực nước biên (mưa tăng –0,8 mm/năm, triều tăng –1,0 cm/năm, mưa triều tăng): - Phương án thiết kế (TK1) – cải tạo mở rộng kết hợp nâng cao độ Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2022, 740,22-35; doi:10.36335/VNJHM.2022(740).22-35 31 THỜI GIAN NGẬP (phút) - Phương án thiết kế (TK2) – cải tạo mở rộng kết hợp cống ngăn triều bơm (Xây dựng cống ngăn triều đầu kênh TH-LG với kích thước HxB = 4,5×50 m, với nguyên lý làm việc đóng cao độ +0 triều lên mở cao độ +1,3 m triều xuống Việc chống ngập cho lưu vực kết hợp với trạm bơm để vận hành trường hợp mưa lớn gặp triều cường bên ngoài) Kết mơ khả nước mơ hình PC SWMM điều kiện thay đổi khí hậu: mực nước gia tăng (hình hình 7) DIỄN BIẾN THỜI GIAN NGẬP VỚI CÁC PHƯƠNG ÁN TRONG ĐIỀU KIỆN THAY ĐỔI KHÍ HẬU 5000 4687.2 4500 TH Mưa tăng phương án TK1 4000 TH Triều tăng phương án TK1 3500 TH Mưa triều tăng phương án TK1 3000 2400.4 2500 2395.4 2000 1621.7 1392.5 1388.2 1115.9 856.8 1500 1000 244.1 190.6 500 151.4 30.1 0 2018 908.2 900.9 794.7 855.3 591.9 630.4 339.5 30.4 2028 1550.8 1507.5 1513 TH Mưa tăng phương án TK2 TH Triều tăng phương án TK2 TH Mưa triều tăng phương án TK2 380.1 0 2038 2048 2058 NĂM SỐ ĐIỂM NGẬP Hình Diễn biến thời gian ngập với phương án điều kiện BĐKH DIỄN BIẾN SỐ ĐIỂM NGẬP VỚI CÁC PHƯƠNG ÁN TRONG ĐIỀU KIỆN THAY ĐỔI KHÍ HẬU 70 TH Mưa tăng phương án TK1 62 60 TH Triều tăng phương án TK1 50 40 TH Mưa triều tăng phương án TK1 39 36 32 32 30 TH Mưa tăng phương án TK2 TH Triều tăng phương án TK2 25 20 19 20 13 12 10 10 2018 10 98 19 18 18 18 18 10 2028 TH Mưa triều tăng phương án TK2 NĂM 2038 2048 2058 Hình Diễn biến số điểm ngập với phương án điều kiện BĐKH Theo kết mô phỏng, sau thời gian ngập số điểm ngập tăng dần, phương án thiết kế khơng khả thi với diễn biến khí hậu tương lai Cả hai phương án thiết kế không giải ngập triệt lưu vực Vậy để xóa ngập triệt để điều kiện BĐKH nghiên cứu xét hai kịch bổ sung (a) (b) tổ hợp với hai phương án TK1 TK2 (a) Quy hoạch lại mật độ xây dựng cho phép cho giảm dần tỉ lệ diện tích mặt phủ khơng thấm nước từ 75% xuống đến khoảng 55% vài thập niên tới (b) Bổ sung thêm hồ điều tiết phân bố rải rác lưu vực Vị trí diện tích phù hợp cho việc phát triển hồ thử dần mơ hình PC SWMM * Phương án điều chỉnh giảm diện tích khơng thấm (a) - Phương án TK1: Cải tạo mở rộng kết hợp nâng Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2022, 740,22-35; doi:10.36335/VNJHM.2022(740).22-35 32 Nghiên cứu tiến hành giảm dần phần diện tích khơng thấm theo thời gian cho đạt tới tỉ lệ 55% sau 50 năm Quy trình thực cho tất trường hợp (TH) phương án (PA) TK1, TK2 Để phù hợp với xu phát triển cấu sử dụng đất tương lai, nghiên cúu tiến hành điều chỉnh diện tích phần khơng thấm 2018 (75%), 2028 (65%), 2038 (55%), 2048 (55%), 2058 (55%) - Phương án TK2: Cải tạo mở rộng kết hợp cống ngăn triều bơm, nghiên cứu tiến hành điều chỉnh diện tích phần khơng thấm đến thỏa mãn điều kiện khơng ngập Tóm lại phương án TK2 (cải tạo mở rộng kết hợp cống ngăn triều bơm) nghiên cứu kết luận, tác động mưa chủ yếu, triều không đáng kể Để xóa ngập cần diện tích phần khơng thấm 15% (điều không thể) Phương án TK2 có tác dụng giảm ngập Theo xu phát triển bền vững, cấu sử dụng đất lâu dài, việc chỉnh trang đô thị tương lai, tiến đến đô thị lý tưởng Sau điều chỉnh diện tích khơng thấm phù hợp, kết phương án xét (Hình Hình 9) THỜI GIAN NGẬP (phút) DIỄN BIẾN THỜI GIAN NGẬP CÁC PHƯƠNG ÁN ĐÃ ĐIỀU CHỈNH DIỆN TÍCH KHÔNG THẤM 4500 4224.2 TK1 TH Mưa tăng 4000 3500 TK1 TH Triều tăng 3000 TK1 TH Mưa triều tăng 2500 2097.3 2000 1500 1372.9 1000 517.4 804.4 516.5 307.3 500 679.6 679.1 520.1 215.3 205 119.7 119.2 031.6 2018 954.5 950.8 925.8 545.8 2025.7 TK2 TH Mưa tăng 1267.2 1265 1294.5 TK2 TH Triều tăng TK2 TH Mưa triều tăng NĂM 2028 2038 2048 2058 SỐ ĐIỂM NGẬP Hình Diễn biến thời gian ngập PA điều chỉnh diện tích khơng thấm DIỄN BIẾN SỐ ĐIỂM NGẬP CÁC PHƯƠNG ÁN ĐÃ ĐIỀU CHỈNH DIỆN TÍCH KHÔNG THẤM 70 TK1 TH Mưa tăng 60 58 TK1 TH Triều tăng 50 TK1 TH Mưa triều tăng 40 37 30 20 10 10 2018 34 29 29 19 10 22 13 15 13 12 14 12 17 TK2 TH Mưa tăng TK2 TH Triều tăng 17 TK2 TH Mưa triều tăng 2028 2038 2048 2058 NĂM Hình Diễn biến số điểm ngập PA điều chỉnh diện tích không thấm Kết mô cho thấy: Phương án cải tạo mặt phủ thị có tác dụng giảm ngập, mưa nguyên nhân gây ngập chủ yếu, sau mức độ ngập triều tăng Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2022, 740,22-35; doi:10.36335/VNJHM.2022(740).22-35 33 DIỆN TICH HỒ (ha) Như nói trên, để xóa ngập cách triệt để, phương án hồ điều tiết phân tán hoạt động theo thủy triều phương án khả thi mang lại hiệu cao việc giải tình trạng ngập tác động biến đổi khí hậu * Phương án hồ điều tiết phân tán hiệu chỉnh diện tích khơng thấm Ứng với thời điểm ngập, nghiên cứu thử dần diện tích cần thiết hồ đến khơng cịn ngập, kết cụ thể sau (hình 10): DIỆN TÍCH HỒ CẦN THIẾT ĐỂ XĨA NGẬP CÁC PHƯƠNG ÁN ĐÃ HIỆU CHỈNH DIỆN TÍCH KHƠNG THẤM 120.00 119.26 TK1 TH Mưa tăng 100.00 81.21 TK1 TH Mưa triều tăng 80.00 TK2 TH Mưa tăng 71.88 60.00 41.69 40.00 TK2 TH Mưa triều tăng 20.76 20.00 1.99 1.66 0.00 00.31 1.99 2018 16.15 3.19 3.19 1.67 2028 4.82 4.82 2.57 2038 TK2 TH Triều tăng 39.15 8.14 8.14 4.34 2048 12.43 12.43 5.20 2058 TK1 TH Triều tăng NĂM Hình 10 Diện tích hồ cần thiết để xóa ngập PA điều chỉnh diện tích khơng thấm Phương án giúp nghiên cứu xóa ngập cách triệt để với diện tích hồ khơng đáng kể (trường hợp bất lợi 119,26 chiếm 7% diện tích lưu vực) so với tổng diện tích lưu vực Ứng với thời điểm, nghiên cứu có diện tích hồ thích hợp để xóa ngập Kết luận Đối với tốn nước thị sử dụng phương pháp mơ hình tốn (PC SWMM) kết hợp với liệu quan sát–đo đạc thực tế để đánh giá khả thoát nước lưu vực TH–LG điều kiện BĐKH với kịch mực nước gia tăng Mơ hình quản lý nước mưa PC SWMM mơ hình tốn học tồn diện, dùng để mơ khối lượng tính chất dịng chảy thị mưa hệ thống cống nước thải chung Lợi ích lớn từ mơ hình dự đốn tình trạng ngập nước số vị trí Bằng cách thay đổi vài yếu tố đường ống, dịng chảy, đốn nguyên nhân gây ngập, mức độ ngập, thời gian ngập, từ đề giải pháp hợp lý Nghiên cứu ứng dụng đánh giá khả thoát nước lưu vực TH–LG việc gia tăng mực nước biên với kịch bản: mưa tăng theo tốc độ 0,8 mm/năm mực nước tăng 1cm/năm, nhiên thực tế tốc độ tăng nhanh chậm hơn, lúc hiệu phương án ngắn dài Trên sở đó, nghiên cứu sử dụng thơng số để tính tốn cho hai phương án thiết kế: cải tạo mở rộng mạng lưới kênh rạch + nâng nền, cải tạo mở rộng mạng lưới kênh rạch + cống ngăn triều + bơm ứng với giải pháp chỉnh trang thị giảm dần diện tích khơng thấm xây dựng hồ điều tiết phân tán điều kiện gia tăng mực nước biên Kết cho thấy với giải pháp xây dựng hồ điều tiết phân tán (7% diện tích lưu vực) mang lại hiệu tốt có khả xóa ngập cho thị Mơ hình mơ cho trận mưa thiết kế có tần suất năm xuất lần trận mưa chưa lớn Đồng thời mực nước biên triều mức 1,43 m trạm Phú An tần suất 10% mức triều thấp Vì để thơng số tốt có kịch mang tính tổng quát (đặc biệt trận mưa lớn, cực lớn kết hợp triều cương cao) Đây hạn chế nghiên cứu Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2022, 740,22-35; doi:10.36335/VNJHM.2022(740).22-35 34 Đóng góp tác giả: Xây dựng ý tưởng nghiên cứu: T.T.Q., H.T.T.N.; Lựa chọn phương pháp nghiên cứu: T.T.Q., C.T.V., H.T.T.N.; Xử lý số liệu: V.T.V.A., N.T.H.T.; Mơ hình hóa: T.T.Q., H.T.T.N.; Phân tích kết quả: T.T.Q., H.T.T.N., C.T.V.; Chỉnh sửa báo: H.T.T.N., C.T.V., V.T.V.A Lời cam đoan: Tập thể tác giả cam đoan báo cơng trình nghiên cứu tập thể tác giả, chưa công bố đâu, không chép từ nghiên cứu trước đây; khơng có tranh chấp lợi ích nhóm tác giả Tài liệu tham khảo Nữ, H.T.T.; Vũ, Đ.T.; Phùng, L.V.; Văn, C.T Mô mức độ ngập đề xuất giải pháp thoát nước chống ngập cho khu vực Văn Thánh – thành phố Hồ Chí Minh Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2020, 716, 12–25 doi:10.36335/VNJHM.2020(716).1225 Sở Quy hoạch – Kiến trúc TPHCM Giải pháp hạn chế tình trạng ngập lụt TP.HCM tình hình biến đổi khí hậu tương lai 2017 https://qhkt.hochiminhcity.gov.vn/do-thi-xanh/giai-phap-han-che-tinh-trang-ngaplut-tai-tphcm-va-tinh-hinh-bien-doi-khi-hau-trong-tuong-lai-1031.html Nữ, H.T.T Nghiên cứu giải pháp thoát nước chống ngập cho lưu vực rạch Văn Thánh Thành phố Hồ Chí Minh Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Đại học Bách Khoa TP.HCM, 2010 Quyên, T.T Nghiên cứu ảnh hưởng việc gia tăng mực nước biên khả nước lưu vực Tân Hóa – Lò Gốm biện pháp khắc phục Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Đại học Bách Khoa TP.HCM, 2008 Phương, N.V cs Nghiên cứu giải pháp thoát nước mưa đường phố theo hướng bền vững Tạp chí KHCN Xây dựng NUCE 2019, 13(V2), 73–85 Tính, N.Đ.; Viện, D.V Một số giải pháp chống ngập TP.HCM, Cơ Sở 2– trường Đại học Thủy lợi, Hội đập lớn phát triển nguồn nước ULR: www.vncold.vn 2007 Điềm, N.V.; Sơn, H.T Mơ hình tính tốn nước mưa cho đô thị vùng bị ảnh hưởng thủy triều Trường đại học Bách KhoaTP HCM 2002 Muthukrishnan, S.; Harbor, J.; Kyoung, K.J.; Engel, B.A Calibration of a Simple rainfall–runoff model for long–term hydrological impact evaluation URISA J 2004, 18(2), 35–42 Nasello, C.; Tucciarelli, T Dual Multilevel Urban Drainage Model J Hydr Eng 2005, 131(9), 748–754 10 UBND TPHCM Các kết phân tích kênh Tân Hóa – Lị Gốm để xác định thiết kế dự án thí điểm BQL 415, báo cáo phụ lục UBND TPHCM Ủy ban hợp tác quốc tế Bỉ, 2005 11 Nghiên cứu khả thi thiết kế sơ dự án thoát nước TP HCM lưu vực Nhiêu Lộc Thị Nghè PCHMC công ty Tư vấn Camp Dresser McKee International, 1999 12 Huy, N.S cs Luận chứng kinh tế kỹ thuật tiêu nước cải tạo nhiễm hệ kênh rạch Tân Hố – Lị Gốm, 1994 13 Báo cáo tổng hợp Dự án nâng cấp đô thị vệ sinh rạch Tân Hóa Lị Gốm Báo cáo ban quản lý dụ án 415 (PMU 415) 14 Báo cáo nghiên cứu kỹ thuật dự án Cải thiện vệ sinh–Nâng cấp Đơ thị kênh Tân Hóa Lị Gốm http://www2.btcctb.org/TH-LG/vn/fs.htm 15 Phi, H.L Sự thay đổi khí hậu, thị hóa tình trạng ngập TPHCM Đại học Bách khoa TP.HCM, 2004 16 Hiếu, T.V cs Nghiên cứu phương pháp phân vùng ngập nước thị nội thành TP.HCM (2000–2002) Báo cáo tổng kết đề tài Phân viện Khí tượng Thủy văn BĐKH, 2002 Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2022, 740,22-35; doi:10.36335/VNJHM.2022(740).22-35 35 17 Cảnh, Đ.; Trực, D.V Ứng dụng kỹ thuật sinh thái, xây dựng hệ thống tiêu nước thị bền vững Đại học Quốc gia TPHCM, 2006 18 Harremoes, P Intergrated urban drainage, status and perpectives Water Sci Technol 2002, 45(3), 1–10 19 Boyd, J.M.; Bufill, M.C.; Knee, R.M Pervious and impervious runoff in urban catchments Hydrol Sci J 1993, 38, 463–478 20 Zhou, Q.; Yang, X.; Melville, M.D A GIS network model for sugarcane field drainage management School of Geography, University of New South Wales, 1996 21 Sydney, Australia Proceedings of 8th Australasian Remote Sensing Conference, 25– 29 March 1996, Canberra, 1996, 2, 366–372 22 O’Loughlin, G.; Huber, W.; Chocat, B Rainfal–runoff process and modeling J Hydraul Res 1996, 34, 733–751 Application of urban hydrological model to simulate inundation and drainage capacity due to increase in tidal water level for Tan Hoa – Lo Gom canal system in Ho Chi Minh City Hoang Thi To Nu1, Tu Thieu Quyen2, Vu Thi Van Anh1, Nguyen Thi Hong Thao3, Can Thu Van1* HCMC university of Natural resources and Environment; nu.htt@hcmunre.edu.vn; vtvanh@hcmunre.edu.vn; ctvan@hcmunre.edu.vn Department of Agriculture and Rural Development Tra Vinh provence; quyentuqldd@gmail.com Southern Institute of Construction Planning; hongthaosgtl@gmail.com Abstract: As the economic, trade and tourism center of Vietnam, Ho Chi Minh City (HCMC) has experienced rapid urbanization, which has led to many consequences on infrastructure, in which the problem of urban flooding is the most severe Tan Hoa–Lo Gom basin is located on the southwest boundary of the inner city of HCMC The TH–LG channel flows from the Northeast to the Southwest through districts: Tan Binh (Bau Cat area), District 11, 6, 8, Binh Chanh and ends at Tau Hu canal The total catchment area is 2,498 (3.8% of the city’s area) The study applied the PC SWMM model to simulate the effect of marginal water level increase on the drainage capacity of the basin The results of the study show that the reservoir solution is effective even in climate change conditions with the given scenarios Keywords: Urban flooding in Ho Chi Minh City; SWMM model; Tan Hoa–Lo Gom  ... khảo Nữ, H.T.T.; Vũ, Đ.T.; Phùng, L.V.; Văn, C.T Mô mức độ ngập đề xuất giải pháp thoát nước chống ngập cho khu vực Văn Thánh – thành phố Hồ Chí Minh Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2020, 716, 1 2–2 5... với mức độ thị hóa Đây tài liệu cần cho nghiên cứu nghiên cứu hệ thống nước thị [17] Tuy vậy, ứng với khu vực, lưu vực sông kênh cụ thể mơ hình ứng dụng có tính khả thi khác kênh Tân Hóa? ??Lị Gồm... lớn năm Mực nước triều kênh rạch chọn vào tháng IX Các vùng thấp hệ thống thoát nước chịu ảnh hưởng thủy triều, mực nước ngồi sơng mang tính định [12]; Các kết tính tốn mực nước kênh Lị Gốm Báo