Nghiên cứu cơ sở khoa học mô phỏng hệ thống cân bằng nước mặt trong úng ngập khu vực nội thành hà nội

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 CHUYÊNNGÀNH: VÀNƢỚCMÃSỐ: MÔI TRƢỜNG ĐẤT 62440303 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:  PGS.TS.PHẠMQUANGHÀ  PGS.TS.NGUYỄNMẠNHKHẢI HÀ NỘI-2015 LỜI CAM ĐOAN Tơixincam đoanrằngđâylàcơng trìnhnghiên cứucủariêngtơi,đƣợc hồn thành dƣớisựhƣớngdẫncủaPGS.TS.Phạm QuangHàvàPGS.TS.NguyễnMạnhKhải Cáckếtquảđƣợc viếtchung vớitác giảkhácđãđƣợcsựnhấttrícủađồngtácgiảkhi vàoluậnán.Sốliệunêutrongluậnánlàtrung đƣa thựcvàkếtquả củanghiêncứu chƣatừngđƣợcaicơngbốtrongbất kỳcơng trìnhnàokhác Nghiên cứu sinh Phạm Mạnh Cổn LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy hƣớng dẫn:PGS.TS Phạm Quang Hà PGS TS Nguyễn Mạnh Khải Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn hƣớng dẫn, giúp đỡ tận tình Thầy, Cơ, cán nghiêncứuviên Khoa Mơi trƣờng, Khoa Khí tƣợng Thủy văn Hải dƣơng học, PhòngSauĐại học, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội; đƣợclàmviệc với Thầy, Cô, cán nhà khoa học trẻ, hạnh duyên nghiên cứu sinh nghiệp làm khoa học nhƣ đời Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Tạp chí Tia Sáng, Bộ Khoa học Công nghệ, nơi tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh phát triển nghiệp nghiên cứu khoa học Nghiên cứu sinh xin gửi lời tri ân tới thành viên gia đình, tới Eltek Việt Nam động viên chia sẻ, thơng cảm bạn bè, ngƣời thân khó khăn mà ngƣời phải gánh vác q trình nghiên cứu hồn thiện luận án Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến DHI DHI Việt Nam; hỗ trợ DHI việc cung cấp quyền sử dụng công cụ MIKE FLOOD giúp đỡ Bà Trần Thị Hồng Hạnh - cán DHI Việt Nam, đóng vai trị quan trọng thành cơng nghiên cứu khoa họcnày HàNội,ngày tháng năm NCS PHẠM MẠNH CỔN MỤC LỤC DANH MỤC CÁCBẢNG……………………………………………………… DANH MỤC CÁC HÌNH……………………………………………………… MỞ ĐẦU ……………………………………………………………………… TÍNH CẤP THIẾT CỦA NGHIÊN CỨU ……………………………… MỤC TIÊU CỦA NGHIÊN CỨU ……………………………………… PHẠM VI VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU…………………………… NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ………………………… Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA NGHIÊN CỨU ………………………… CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN ………………………………………… LUẬN ĐIỂM BẢO VỆ CỦA NGHIÊN CỨU ………………………… CHƢƠNG TỔNG QUAN …………………………………………………… 1.1 CÂN BẰNG HỆ THỐNG NƢỚC, HỆ THỐNG CÂN BẰNG NƢỚC MẶT NỘI ĐÔ ………………………………………………………… 1.1.1 Cân hệ thống nƣớc khu vực đồi Buda Castle Hill ………………… 1.1.2 Cân hệ thống nƣớc lƣu vực Chao Phraya (Bangkok, Thái Lan) … 1.1.3 Cân hệ thống nƣớc mặt nội đô 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 Thủ Đơ Hà Nội ………………………………… 1.2.3 Hệ thống cân nƣớc mặt lƣu vực Nhuệ-Đáy ……………………… 1.2.4 Hệ thống cân nƣớc mặt nội đô Hà Nội qua giai đoạn phát triển 1.2.5 Mạnglƣớitiêu thốtúngngậpcủahệthốngcânbằngnƣớc mặtnộiđơHàNội 1.3 TÌNH TRẠNG ƠN H I Ễ M C Ủ A L Ƣ U V Ự C N H U Ệ - Đ Á Y VÀKHU 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 tính tốn tiêu nƣớc thị …… 1.4.2 Lựa chọn mơ hình mơ …………………………………………… CHƢƠNG 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 tài liệu thứ cấp………………… 2.1.2 Phƣơng pháp quan trắc, lấy mẫu phân tích ô nhiễm số thủy vực nội đô……………………………………………………………… 2.1.3 Phƣơng pháp phân tích, kiểm chứng 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 DỰNGMẠNG LƢỚITHỦYLỰCCHOMƠHÌNHMIKEMOUSE 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 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 số liệu trận ngập úng năm 2008……… 2.6.2 Kiểm định với trận ngập lụt năm 2013………………………………… CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…………………………………… 3.1 Kết đánh giá ô nhiễm môi trƣờng nƣớc mặt nội đô úngn g ậ p , cân chất, quan hệ MCB lƣợng chất………… 3.1.1 Các kết phân tích nhiễm nƣớc mặt……………………………… 3.1.2 Tácđộngcủanƣớcmƣavànƣớcthảiđơthịđếnchấtlƣợngnƣớcsơng, hồ khu vực nội thành Hà Nội, đánh giá độ tƣơng đồng………………… 3.1.3 Quan hệ MCB chất MCB lƣợng hệ thống cân 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 mơ hình mơ trận ngập úng 31/10/2008-1/11/2008……… 3.3.2 Kết mơ hình mơ trận ngập úng ngày 8/8-9/8/2013………… 3.3.3 Cácthảo luậnvềmấtcânbằngcủahệthốngcânbằng nƣớcmặtnộiđôHàNội 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 29 nút MCB…………………………………………………… 3.4.2 Kịch 11 nút MCB…………………………………………………… KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………………………………………………… Kết luận………………………………………………………………… Kiến nghị………………………………………………………………… DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ………………… TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………… PHỤ LỤC LUẬN ÁN…………………………………………………………… 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 mơi trƣờng Cân Cân nƣớc Nhu cầu oxy hóa học Cơ sở liệu Viện Thủy lực Đan Mạch Oxy hòa tan Cơ quan bảo vệ môi trƣờng Hoa Kỳ Geography Information System Hà Nội Mất cân Mất cân 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 CôngtyCổphầnnƣớcvàMôitrƣờngViệtNam DANH MỤC CÁC BẢNG STT Nội dung Bảng 1.1 Các tiểu lƣu vực lƣu vực Tô Lịch Bảng 1.2 Một số hồ điển hình địa bàn nội Hà Nội Bảng 1.3 Hệ thống tiêu thoát nƣớc nội đô, số liệu đến 1/2009 Bảng1.4.Tổnghợpsốlƣợngđiểmúngngậpứngvớicáctrậnmƣa từ 50 mm đến 100 mm năm (từ năm 2003 đến 2010) Bảng 1.5 Số liệu số trận mƣa lớn Hà Nội 1972-2013 Bảng 2.1 Các đồ sử dụng phục vụ tính tốn tiêu nƣớc mƣa Bảng2.2.Mựcnƣớctạithờiđiểmlấymẫuphântíchtrongmƣa, bão số 6, 8-9/8/2013 (mực nƣớc cao thấp sông Tô Lịch-Kim Ngƣu, Lừ, Sét hồ) Bảng 2.3 Đặc trƣng kênh hở mơ hình tính tốn Bảng 2.4 Yêu cầu số liệu hố ga mơ hình 10 Bảng 2.5 u cầu số liệu đoạn cống mơ hình Bảng 2.6 Lựa chọn kết nối MIKE MOUSE MIKE 21 11 MIKE 21 12 Bảng 2.7 So sánh giá trị thực đo tính tốn trận ngập 10/2008 Bảng 2.8 So sánh độ ngập sâu tính tốn thực tế trận ngập 13 8/8-9/8/2013 Bảng 3.1 Kết phân tích chất lƣợng nƣớc hồ nƣớcsơng 14 nội thành Hà Nội mức nƣớc cao, lũ 09/8/2013 Bảng 3.2 Kết phân tích chất lƣợng nƣớc hồ nƣớcsông 15 nội thành Hà Nội mức nƣớc cạn (09/9/2013) 16 Bảng 3.3.Cácđiểm phátúngtrongtrận úng ngập31/10-1/11/2008 17 Bảng 3.4 Các điểm phát úng trận úng ngập 8/2013 18 Bảng 3.5 Phân loại nút cân Bảng 3.6 So sánh số liệu thời gian ngập, độ ngập sâu 19 phƣơngán11nútMCBvà29nútMCB,lƣợngmƣatƣơng đƣơng (31/10/2008) Trang 40 42 43 44 45 63 66 71 76 77 82 86 92 94 94 109 112 125 148 DANH MỤC CÁC HÌNH TT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Nội dung Tr Hình Hệ thống tiêu nƣớc nội hình nan quạt 16 Hình 1.1 Biểu diễn chu trình thủy văn chung 18 Hình 1.2 Thành phần khác dịng chảy tràn 20 Hình 1.3 Sơ đồ diễn tả cấu thành tham gia vào tình trạng cân 22 hệ thống nƣớc khu vực Buda Castle Hill Hình 1.4 Các hƣớng lũ cục cộng thêm lũ nƣớc chảy tràn bề mặt từ 24 hai đập thƣợng lƣu công Băng Cốc trận lụt 11/2011 Hình 1.5 Biểu đồ tích xả nƣớc hồ chứa nƣớc Bhumidol Sirikit 25 năm 2011 Hình 1.6 Mạng lƣới số hóa lƣu vực Chao Phraya 26 Hình 1.7 Biểu đồ thống kê ngập úng quận trung tâm vùng 27 ngoại vi, thành phố Hồ Chí Minh, 2003-2011 Hình 1.8 Hơn 100 điểm ngập úng thành phố Hồ Chí Minh 27 Hình 1.9 Sơ đồ nguyên nhân gây úng ngập cho thành phố Hồ Chí Minh 27 Hình 1.10 Ngập lụt phía đầu cầu Gia Lâm năm 1926 (ảnh trái) vàn g ậ p 31 lụt bờ hữu Hồng Hà Nội năm 1926 (ảnh phải) Hình 1.11 Sơ đồ lƣu vực Nhuệ - Đáy 32 Hình 1.12 Nền địa hình Hà Nội dốc Tây-Đơng Bắc-Nam 33 Hình 1.13 Mặt cắt biểu diễn hƣớng dốc lƣu vực Nhuệ-Đáy từ Tây sang 33 Đông, thấp khu vực sơng Tơ Lịch Hình 1.14 Nƣớc ngập đƣờng 70, cạnh sông Nhuệ 9/8/2013-ảnhtrái;xả 35 nƣớc ngƣợc trở lại Tô Lịch qua cửa Thanh Liệt, sau bão số 6;9/8/2013 (ảnh phải) Hình1.15.HàNội năm1873vớikhuvựcHồng Thành,khuphốcổ, khuphố 35 Pháp sau chiếm Hà Nội (trái) Hà Nội năm 1935 (phải) Hình1.16.Sơ đồmạngthủy lựchệthống tiêu nƣớc mặtnộiđơ HàNội 36 Hình 1.17 Qui hoạch Hà Nội 1954-1960 (trái) 1960-1964 (phải) 37 Hình 1.18 Qui hoạch Hà nội đến năm 2010 (lập năm 1986) đƣợc điều chỉnh năm 1998 cho phát triển đến năm 2020 (trái) Qui hoạch Hà Nội 39 2030 tầm nhìn 2050 (phải) Hình 1.19 Sơ đồ hệ thống nƣớc nội Hà Nội 40 Hình1.20.Xebơmlƣuđộngvàốngmềm(màutrắng)thốtnƣớcbằngbơmlƣu 45 động mƣơng Phan Kế Bính-Linh Lang ngày 8/8/2013 Hình 1.21 Úng ngập Phan Kế Bính (trái); khách sạn Daewoo, Kim Mã 46 (phải) ngày 8/8/2013 Hình 1.22 Sơ đồ nƣớc nội sau giai đoạn II 47 Hình1 M ộ t s ố c c h o t đ ộ n g t r o n g k h u ô n k h ổ d ự n t h o 47 tnƣớc 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) 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 số BOD5trong nƣớc sông Tô Lịch (màu xanh) sông Kim Ngƣu (màu đỏ) 10 năm gần Hình 1.26 Diễn biến số BOD5trog nƣớc Hồ Tây (màu xanh) Hồ Bảy mẫu (màu đỏ) 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 kiểm nghiệm Hình 2.1 Sơ đồ điểm lấy mẫu 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 tuyến Văn Cao Hình 2.5 Đo độ cao cửa phai Nguyễn Đình Chiều (hồ Bảy Mẫu) sào cơng tác, ảnh bên trái-chụp ngày 18/11/2013 Hình 2.6.Đochiều rộngbêntrongmƣơngngầmbêtơng PhanKếBính (đang q trình thi cơng) thƣớc dây, ảnh bên phải-chụp 19/4/2012 Hình 2.7 Khu vực tính tốn Hình 2.8 Các đặc trƣng thủy lực mặt cắt sơng Tơ Lịch Hình 2.9 Các đặc trƣng thủy lực mặt cắt sơng Lừ Hình 2.10 Giao diệnn h ậ p c c t h ô n g s ố m ặ t c ắ t k ê n h h MIKE MOUSE Hình 2.11 Cấu trúc sở liệu phục vụ tính tốn tiêu nƣớc mặt nội Hà Nội Hình 2.12 Sơ đồ bố trí Ga Hàm Ếch cống đƣờng phố Hình 2.13 Mặt cắt dọc Ga Thăm tuyến cống phố Hoàng Cầu Hình2.14.Vídụvề bảng dữliệu thơngtin cáchốgatrongnộithànhHàNội Hình 2.15 Ví dụ mạng lƣới hố ga, cống ngầm tuyến mơ hình Hình 2.16 Minh họa bảng số liệu cống nƣớc Hình2.17 Minhhọamặtcắtdọccống thốtnƣớc phốTriệu Việt Vƣơng Hình 2.18.Mộtphầncủa2.704tiểuvùngđƣợc phânchia trongkhu vựctínhtốn Hình 2.19 Hộp số liệu thông số đặc trƣng lƣu vực Hình 2.20 Hộp số liệu kết nối tiểu vùng với hố ga Hình 2.21.Hộpsốliệu thơngsốcủamơhình mƣa dịngchảychotừng tiểuvùng Hình 2.22 Mạng lƣới chiều mơ hình MIKE MOUSE Hình 2.23 Lƣới tính tốn chiều Hình 2.24 Kết nối MIKE MOUSE MIKE 21 Hình 2.25 Kết nối hố ga ô lƣới Hình 2.26 Biều đồ mƣa trạm Láng (30/10 – 5/11/2008) Hình2.27.MựcnƣớctrongcốngtrƣớcthờiđiểmmƣatạituyếnphốTriệu Việt Vƣơng Hình 2.28.Mựcnƣớc dângcaotrànhố gatạituyếnphốTriệu Việt Vƣơng Hình 2.29 Diện ngập lụt lớn nội thành Hà Nội trận ngập năm 2008 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