đánh giá kết quả mô phỏng ứng dụng giải pháp tự nhiên đến chất lượng nước mặt

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tổng quan hiện trạng hệ thống thoát nước Thành phố Hồ Chí Minh - Tổng quan các giải pháp tự nhiên - Giới thiệu mô hình F28 - Xác định các hệ số chuyển hóa hoặc ph

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn Phước Dân

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Lê Hoàng Nghiêm

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS Đào Nguyên Khôi

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 30 tháng 01 năm 2024

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 Chủ tịch Hội đồng: PGS.TS Lê Văn Khoa 2 Thư ký Hội đồng: TS Ngô Thị Ngọc Lan Thảo 3 Giảng viên phản biện 1: PGS.TS Lê Hoàng Nghiêm 4 Giảng viên phản biện 2: PGS.TS Đào Nguyên Khôi 5 Ủy viên Hội đồng: TS Lâm Văn Giang

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: THƯƠNG QUỐC THỊNH MSHV: 2070585

Ngày, tháng, năm sinh: 22/02/1998 Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Quản lý tài nguyên và môi trường Mã số: 8850101

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tổng quan hiện trạng hệ thống thoát nước Thành phố Hồ Chí Minh - Tổng quan các giải pháp tự nhiên

- Giới thiệu mô hình F28

- Xác định các hệ số chuyển hóa hoặc phân hủy của các thông số chất lượng nước - Mô phỏng sự lan truyền chất ô nhiễm tại thời có và không có mưa trong ngày

- Mô phỏng sự lan truyền chất ô nhiễm khi ứng dụng giải pháp tự nhiên là mái nhà xanh

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/02/2023

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/12/2023 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : GS.TS Nguyễn Phước Dân

Tp HCM, ngày tháng năm 2024

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian tiến hành triển khai nghiên cứu, tôi cũng đã hoàn thành luận văn “Đánh giá kết quả mô phỏng ứng dụng giải pháp tự nhiên đến chất lượng nước mặt” Luận văn được hoàn thành không chỉ nhờ vào sự nổ lực của bản thân mà còn có sự giúp đỡ, hỗ trợ tích cực của nhiều cá nhân và tập thể

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy – GS TS Nguyễn Phước Dân, người trực tiếp hướng dẫn luận văn cho tôi Thầy đã dành cho tôi nhiều thời gian, tâm sức, cho tôi nhiều ý kiến, giúp luận văn của tôi được hoàn thiện hơn về mặt nội dung và hình thức Có những lúc tưởng chừng như không tiếp tục với đề tài, thầy đã động viên, nhắc nhở kịp thời để tôi có thể hoàn thành luận văn đúng tiến độ

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến thầy - PGS.TS Lê Song Giang, anh – TS Trần Thành Long đã luôn nhiệt tình hướng dẫn, giải đáp các thắc mắc, luôn động viên và chỉ bảo tận tình, luôn khích lệ tạo động lực nhắc nhở tôi có trách nhiệm với đề tài của mình, giúp tôi hoàn chỉnh luận văn tốt hơn

Tôi xin cám ơn đến thầy – TS Hồ Tuấn Đức, thầy - PGS.TS Bùi Xuân Thành, tập thể các anh chị, sinh viên tại CARE và Phòng thí nghiệm Phân tích Môi trường đã tạo điều kiện cho tôi có môi trường tốt để thực hiện các thí nghiệm cần thiết cho đề tài này

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến Khoa Môi trường và Tài Nguyên và Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi được học tập trong môi trường tốt nhất

Chân thành cám ơn Trân trọng,

Thương Quốc Thịnh

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Mô hình xử lý nước thải tập trung ở Thành phố hiện nay chỉ đáp ứng một phần nhu cầu của người dân khi khả năng xử lý của các nhà máy chỉ khoảng 10-20% Do đó, phần còn lại nước thải được dẫn ra hệ thống sông, kênh rạch gây ô nhiễm môi Bên cạnh đó, hệ thống thoát nước chưa được hoàn thiện làm xuất hiện nhiều điểm ngập cố định Các giải pháp tự nhiên được xem là các giải pháp bền vững giúp điều hòa quản lý nước đô thị và giảm áp lực lên hệ thống thoát nước vốn đã không đáp ứng nhu cầu của người dân Cụ thể, trong các giải pháp tự nhiên, mái nhà xanh đang được đánh giá cao trong việc giảm thiểu lượng nước mưa chảy tràn và xử lý một phần nước thải sinh hoạt

Vì những lý do trên, luận văn đã tập trung mô phỏng khả năng lan truyền các chất ô nhiễm (BOD, N-NH3, N-NO3-, N-NO2-) từ hệ thống cống thoát nước đến chất lượng nước mặt tại khu vực nghiên cứu trong thành phố Thủ Đức Đề tài sử dụng phần mềm F28 để thực hiện chạy mô hình với ba kịch bản: thời tiết không mưa, có mưa và có ứng dụng mái nhà xanh khi có mưa Bên cạnh đó, các thí nghiệm phân tích chất lượng nước cũng được thực hiện nhằm xác định hệ số phân hủy của các chất BOD, N-NH3, N-NO3-, N-NO2- lần lượt là: k1 = 0.258 ± 0.015 ngày-1, β1 = 0.036 ± 0.003 ngày-1,β2 = 0.226 ± 0.0975 ngày-1, β3 = 0.016 ± 0.0035 ngày-1

Kết quả cho thấy việc ứng dụng mái nhà xanh giúp giảm thảm thiểu lượng nước mưa chảy tràn, qua đó hạn chế việc lan truyền chất ô nhiễm đến chất lượng nước mặt Tại các điểm như rạch Gò Dưa, rạch Nhỏ, suối Cái, kết quả chạy mô hình lúc 18 giờ cho thấy nồng độ các chất đã giảm: BOD5 là 84 mg/L, N-NH3 là 2.46 mg/L, N-NO3- là 0.01 mg/L, N-NO2- là0.002 mg/L tương đương với phần xử lý lần lượt là 49%, 89%, 80%, 96% Trên cơ sở đó, việc ứng dụng mái nhà xanh để điều hòa quản lý nước đô thị là hoàn toàn khả thi và mang lại hiệu quả trong giảm thiểu hiện tượng ngập úng và ô nhiễm chất lượng nước mặt

ABSTRACT

The current centralized wastewater treatment model in Ho Chi Minh City only meets part of people's needs when the capacity of the wastewater treatment plants is only about 10-20% Therefore, the remaining wastewater is directed into the river and canal system, causing environmental pollution In addition, the drainage system has not been completed, causing many permanent flooding points to appear Nature-based Solutions are considered sustainable solutions that help regulate urban water management and reduce pressure on drainage systems that cannot meet people's needs Specifically, among natural solutions, green roofs are highly appreciated for minimizing rainwater runoff and treating a portion of domestic wastewater

For the above reasons, the thesis focused on simulating the ability to spread pollutants (BOD, N-NH3, N-NO3-, N-NO2-) from the sewer system to surface water quality in the study area in Thu Duc city The project uses F28 software to run the model with three scenarios: weather without rain, with rain and with green roof application when it rains In addition, water quality analysis experiments were also performed to

determine the decomposition coefficient of contaminants BOD, N-NH3, N-NO3-, N-NO2- are: k1 = 0.258 ± 0.015 day-1, β1 = 0.036 ± 0.003 day-1, β2 = 0.226 ± 0.0975

day-1, β3 = 0.016 ± 0.0035 day-1

The results show that the application of green roofs helps reduce the amount of rainwater runoff, thereby limiting the spread of pollutants to surface water quality At points such as Go Dua canal, Nho canal, and Cai stream, the results of running the model at 6:00 p.m show that the concentration of substances has decreased: BOD5 to 84 mg/L, N-NH3 to 2.46 mg/L, N-NO3- to 0.01 mg/L, N-NO2- to 0.002 mg/L that are equivalent to 49%, 89%, 80%, 96%, respectively On that basis, the application of green roofs to

regulate urban water management is completely

LỜI CAM ĐOAN

Tôi, Thương Quốc Thịnh, mã học viên: 2070585, cam đoan rằng luận văn thạc sĩ này được viết dưới sự hướng dẫn của GS.TS Nguyễn Phước Dân và hoàn toàn phản ánh công trình nghiên cứu và quan điểm cá nhân của tôi Tất cả thông tin và nguồn tài liệu từ nguồn khác đều đã được dẫn chính xác và đầy đủ theo quy tắc trích dẫn và tham chiếu Tôi cam đoan rằng tôi đã tuân thủ mọi quy định và hướng dẫn về việc viết luận văn của khoa Khoa Tài nguyên và Môi trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh trong việc thực hiện nghiên cứu và viết luận văn này Tôi đảm bảo rằng không có sự gian lận, vi phạm, hoặc sử dụng thông tin từ nguồn khác mà không được nêu rõ trong luận văn

Tôi hiểu rằng bất kỳ vi phạm nào của tôi đối với các quy tắc và quy định của trường đại học hoặc tổ chức sẽ bị xem xét một cách nghiêm túc

1.4 Nội dung nghiên cứu 2

1.5 Phương pháp nghiên cứu 3

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

2.2.3 Thu gom nước mưa 15

2.2.4 Lựa chọn giải pháp tự nhiên 15

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 34

4.1 Xác định hệ số chuyển hóa hoặc phân hủy của các chất ô nhiễm 34

4.1.1 Tốc độ phân hủy BOD (k1) 35

4.1.2 Tốc độ Oxy hoá của Ni-tơ amonia (1) 35

4.1.3 Tốc độ Oxy hoá của Ni-tơ nitrite (2) 35

4.1.4 Tốc độ thủy phân của Ni-tơ hữu cơ (3) 36

4.2 Mô phỏng lan truyền chất ô nhiễm không ứng dụng giải pháp mái nhà xanh 38

4.2.1 Kịch bản 1: Kết quả lan truyền chất ô nhiễm khi không có mưa 38

4.2.2 Kịch bản 2: Kết quả lan truyền chất ô nhiễm tại thời điểm có mưa 43

4.3 Mô phỏng lan truyền chất ô nhiễm ứng dụng giải pháp tự nhiên (kịch bản 3) 47

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52

5.1 Kết luận 52

5.2 Kiến nghị 52

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

PHỤ LỤC 58

DANH MỤC VIẾT TẮT

TP.HCM GPTN ĐNN MNX BOD TKN NH3

-NO2-

1D 2D

Thành phố Hồ Chí Minh Giải pháp tự nhiên Đất ngập nước Mái nhà xanh

Nhu cầu oxy sinh hóa Tổng nitơ Kendal Amoni

Nitrat Nitrit Một chiều Hai chiều

Hình 2.6 Ứng dụng thu gom nước tại nhà 15

Hình 2.7 Mô tả phương trình vi phân đạo hàm riêng ở dạng bảo toàn trong miền Ω 16

Hình 2.8 Sơ đồ mạng sông 1D 18

Hình 2.9 Sơ đồ nút 1D 19

Hình 2.10 Ba trạng thái chảy trong hệ thống cống – đường phố 23

Hình 2.11 Hệ thống cống và mặt đường 24

Hình 3.1 Khung nghiên cứu 26

Hình 3.2 Thiết lập mô hình 1D cho dòng chảy trên sông 28

Hình 3.3 Thiết lập dòng chảy trong hệ thống thoát nước thải và trên đường phố 28

Hình 3.4 Thiết lập mô hình 2D 29

Hình 3.5 Thiết lập lưu vực 29

Hình 3.6 Sơ đồ thực hiện mô phỏng bằng phần mềm F28 30

Hình 4.1 Tốc độ phân hủy của BOD trong 2 lần phân tích 35

Hình 4.2 Tốc độ oxy hóa của Amoni trong 2 lần phân tích 35

Hình 4.3 Tốc độ tăng của nồng độ nitrat trong 2 lần phân tích 36

Hình 4.4 Tốc độ chuyển hóa thành amonia trong 2 lần phân tích 36

Hình 4.5 Dòng chảy nước thải sinh hoạt trong hệ thống cống thoát nước 38

Hình 4.6 Quá trình lan truyền của BOD tại các thời điểm trong ngày 06/8/2020 39

Hình 4.7 Quá trình lan truyền của ammoni tại các thời điểm trong ngày 06/8/2020 40

Hình 4.8 Quá trình lan truyền của nitrat tại các thời điểm trong ngày 06/8/2020 41

Hình 4.9 Quá trình lan truyền của nitrit tại các thời điểm trong ngày 06/8/2020 42

Hình 4.10 Các điểm ngập úng tại khu vực vào lúc trời đang mưa (18 giờ) và sau cơn mưa (22 giờ) ngày 06/8/2020 44

Hình 4.11 Lan truyền BOD trong điều kiện thời tiết không có mưa và có mưa 45

Hình 4.12 Lan truyền amoni trong điều kiện thời tiết không có mưa và có mưa 45

Hình 4.13 Lan truyền nitrat trong điều kiện thời tiết không có mưa và có mưa 46

Hình 4.14 Lan truyền nitrit trong điều kiện thời tiết không có mưa và có mưa 46

Hình 4.15 Các điểm ngập úng tại khu vực vào lúc trời đang mưa (18 giờ) và sau cơn mưa (22 giờ) ngày 06/8/2020 47

Hình 4.16 Độ sâu tại các điểm ngập úng tại thời điểm có mưa khi không ứng dụng MNX (A) và khi ứng dụng MNX (B) 48

Hình 4.17 Nồng độ BOD tại thời điểm mưa khi không ứng dụng MNX (A) và khi ứng dụng MNX (B) 48

Hình 4.18 Nồng độ amonium tại thời điểm mưa khi không ứng dụng MNX (A) và khi ứng dụng MNX (B) 49

Hình 4.19 Nồng độ nitrat tại thời điểm mưa khi không ứng dụng MNX (A) và khi ứng dụng MNX (B) 50

Hình 4.20 Nồng độ nitrit tại thời điểm mưa khi không ứng dụng MNX (A) và khi ứng dụng MNX (B) 50

Hình PL.1 Biểu đồ lượng mưa vào ngày 06/8/2020 61

Hình PL2 Hình ảnh lấy mẫu và dự trữ mẫu nước thải sinh hoạt 61

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Dữ liệu đầu vào 26

Bảng 3.2 Công thức xác định số hạng nguồn 30

Bảng 3.3 Công thức xác định số hạng nguồn sau khi đã rút gọn 31

Bảng 3.4 Phương pháp thí nghiệm phân tích các thông số chất lượng nước 33

Bảng 4.1 Kết quả phân tích nước thải sinh hoạt trong 20 ngày 34

Bảng 4.2 Kết quả phân tích hệ số phân hủy các chất 37

Bảng 4.3 Kết quả chất lượng nước thải sinh hoạt 38

Bảng 4.4 Sự thay đổi các thông số chất lượng nước trong ngày (đơn vị: mg/L) 43

Bảng 4.5 Sự thay đổi các thông số chất lượng nước tại điểm ngập đường Tam Bình (đơn vị mg/L) 46

Bảng 4.6 Hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt của mái nhà xanh 51

Bảng PL1 Mực nước tại các trạm thủy văn trong ngày 06/8/2024 58

Bảng PL2 Kết quả thí nghiệm các thông số chất lượng nước trong 20 ngày sau khi lấy log các giá trị thực nghiệm 59

Bảng PL3 Kết quả thí nghiệm các thông số chất lượng nước dùng cho đầu vào 60

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài

Ngập úng đô thị từ lâu đã được cho là kết quả của các hiện tượng tự nhiên bao gồm mưa lớn, triều cường, sụt lún đất và sự kết hợp của những yếu tố này Bên cạnh đó, các tác động nhân tạo cũng đóng góp đáng kể như phát triển đô thị không theo quy hoạch và bê tông hóa các không gian giữ và thấm nước tự nhiên (Loc và cộng sự, 2017) Để khắc phục những hiện tượng này, các biện pháp công trình kiểm soát lũ lụt, ngập úng đã được xây dựng để bảo vệ cộng đồng, nâng cao chất lượng cuộc sống Tuy nhiên, các công trình này chỉ đáp ứng những hiện tượng thời tiết thông thường, do đó các hiện tượng thời tiết khắc nghiệt không những không giảm thiểu mà còn có xu hướng ngày càng phổ biến và tác động đến đời sống con người nhiều hơn (Hoyer và cộng sự, 2011)

Tại thành phố Thủ Đức, hệ thống thoát nước chưa được đầu tư hoàn chỉnh nên thường xuyên dẫn tới ngập vào mùa mưa cụ thể ở một số đoạn đường như đường Kha Vạn Cân, tỉnh lộ 43, đường Gò Dưa,… Hiện tượng ngập úng không những cản trở giao thông mà còn làm lan truyền các chất ô nhiễm từ cống thoát nước hoặc từ các vùng ô nhiễm và cuối cùng ảnh hưởng đến chất lượng nước mặt Với mục đích thành phố có thể phát triển bền vững, mái nhà xanh được xem là giải pháp tự nhiên phù hợp có thể ứng dụng trong khu vực đô thị để hạn chế lượng nước mưa chảy tràn, giảm thiểu ô nhiễm nước mặt, đáp ứng các thách thức về sức khỏe môi trường mà vẫn đảm bảo việc phát triển đô thị, kinh tế xã hội Và công cụ mô hình là phương pháp phù hợp để đánh giá hiệu quả của mái nhà xanh Do đó, luận văn tập trung đánh giá hiệu quả của mái nhà xanh đến chất lượng nước mặt tại khu vực nghiên cứu nằm trong thành phố Thủ Đức theo các kịch bản khác nhau và công cụ dùng để mô phỏng là phần mềm F28 Kết quả của luận văn được xem là cơ sở để đánh giá tính khả thi và hiệu quả việc ứng dụng mái nhà xanh trong quản lý nước đô thị hay giảm thiểu ô nhiễm nước mặt trong tương lai

1.2 Mục đích nghiên cứu

Đánh giá kết quả mô phỏng ứng dụng giải pháp tự nhiên đến chất lượng nước mặt tại khu vực nghiên cứu trong thành phố Thủ Đức

1.3 Phạm vi nghiên cứu

- Mô phỏng hiệu quả của giải pháp mái nhà xanh đến chất lượng nước mặt của hệ thống kênh rạch tại khu vực nghiên cứu nằm trong Thành phố Thủ Đức tại thời điểm ngày 06/8/2020:

+ Khu vực thoát nước gồm 12 phường của thành phố Thủ Đức: Bình Chiểu, Tam Bình, Tam Phú, Hiệp Bình Phước, Hiệp Bình Chánh, Linh Đông, Linh Tây, Linh Xuân, Linh Trung, Linh Chiểu, Bình Thọ, Trường Thọ

+ Hệ thống kênh rạch gồm kênh Ba Bò, rạch Gò Dưa, rạch Dừa, rạch Thủ Đức, suối Cái

- Tập trung thể hiện hiệu quả của mái nhà xanh đến chất lượng nước mặt qua hai tác động chính của mái nhà xanh là giúp giảm lượng nước mưa chảy tràn và giảm thiểu được các chất ô nhiễm (như nhu cầu oxy sinh hóa, amoni, nitrat, nitrit) của một phần nước thải sinh hoạt trong khu vực nghiên cứu Do đó, các yếu tố khác ảnh hưởng đến chất lượng nước mặt như chất lượng nước mưa chảy tràn và chất lượng nước mặt tại hệ thống sông ngoài khu vực nghiên cứu sẽ không được đề cập trong đề tài này

1.4 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện qua các nội dung sau:

- Xác định các hệ số chuyển hóa hoặc phân hủy của các thông số chất lượng nước thải sinh hoạt

- Mô phỏng sự lan truyền chất ô nhiễm tại thời có và không có mưa trong ngày - Mô phỏng sự lan truyền của chất ô nhiễm khi ứng dụng giải pháp tự nhiên là mái nhà xanh

Để thực hiện ba nội dung nghiên cứu này, các nhiệm vụ đề tài này bao gồm: - Tổng quan hiện trạng hệ thống thoát nước Thành phố Hồ Chí Minh

- Tổng quan các giải pháp tự nhiên

- Thu thập các số liệu dân số, diện tích khu vực, lượng mưa, mực nước tại các trạm quan trắc, mực nước triều, mạng lưới thoát nước khu vực nghiên cứu, kích thước cống thoát nước

- Tiến hành thí nghiệm phân tích chất lượng nước thải sinh hoạt để xác định chất lượng nước đầu vào cho mô hình và các hệ số chuyển chuyển hóa hoặc phân hủy của các thông số chất lượng nước

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu được thực hiện trong đề tài là:

- Phương pháp tổng quan tài liệu: việc tổng quan tài liệu không chỉ giúp nắm bắt được tình hình hiện tại về ô nhiễm và ngập úng mà còn giúp nhận biết các giải pháp đã được triển khai và đề xuất trong tương lai Đồng thời, có thể nhận thấy rằng một số giải pháp đã được áp dụng nhưng vẫn chưa đủ hiệu quả và việc ứng dụng giải pháp tự nhiên là cần thiết Việc tóm tắt tình hình nghiên cứu sẽ làm rõ những khoảng trống nghiên cứu hiện nay, từ đó sự cần thiết của đề tài sẽ được thể hiện rõ hơn

- Phương pháp thu thập số liệu: phần lớn các số liệu trong đề tài (như lượng mưa, mực nước, bản đồ độ cao, kích thước hệ thống thoát nước, được thu thập để phục vụ trong việc chạy mô hình Các số liệu chủ yếu thu thập từ các cơ quan như Trạm khí tượng miền Nam, Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam,…

- Phương pháp thí nghiệm: dữ liệu về chất lượng nước đầu vào, hệ số phân hủy các chất ô nhiễm sẽ được xác định bằng thực hiện thí nghiệm phân tích định lượng Việc phân tích trực tiếp chất lượng và các thông số về nước này sẽ cho kết quả phù hợp với khu vực nghiên cứu thay vì thu thập từ các nguồn khác

- Phương pháp mô hình hóa: phần mềm F28 sẽ được sử dụng để chạy với 03 kịch bản nhằm mục tiêu cuối cùng là trực quan hóa hiệu quả của giải pháp mái nhà xanh đến chất lượng nước mặt của hệ thống kênh rạch tại khu vực nghiên cứu

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Về mặt khoa học, kết quả về các hệ số phân hủy của các chất ô nhiễm có giá trị trong việc tham khảo và đánh giá trong các nghiên cứu sau này Việc sử dụng phần mềm F28 để chạy các kịch bản giúp trực quan hóa hiệu quả của mái nhà xanh đến chất lượng nước mặt cho thấy phần mềm F28 được xem là công cụ có thể mô phỏng hiệu quả

Về mặt thực tiễn, kết quả từ đề tài có thể hỗ trợ quyết định chính sách về quản lý tài nguyên nước và môi trường, đồng thời làm tài liệu tham khảo cho địa phương trong việc nhận định sơ bộ hiệu quả của việc ứng dụng mái nhà xanh trong giảm thiểu ngập úng đô thị và ô nhiễm nước mặt trong điều kiện trời mưa Ngoài ra, luận văn có thể được xem là tài liệu tham khảo trong việc thực hiện các giải pháp tự nhiên nhằm giải quyết các vấn đề quản lý tài nguyên nước và bảo vệ môi trường

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2.1 Khu vực nghiên cứu

2.1.1 Đặc diểm tự nhiên

Hình 2.1.Khu vực nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện tại khu vực có tên gọi theo đơn vị hành chính trước tháng 12 năm 2020 là quận Thủ Đức, là cửa ngõ trọng điểm phía Đông Bắc của TP.HCM Khu vực nghiên cứu có diện tích 48 km2 với dân số khoảng 530,000 người Sở hữu lợi thế phát triển giao thông hạ tầng kỹ thuật, khu vực đã và đang sở hữu các dự án trọng điểm, quan trọng trong việc phát triển kinh tế Ngày 09 tháng 12 năm 2020, Ủy ban Thường vụ Quốc hội ban hành Nghị quyết 1111/NQ-UBTVQH14 về việc sắp xếp các đơn vị hành chính cấp huyện, cấp xã và thành lập thành phố Thủ Đức thuộc Thành phố Hồ Chí Minh (Nghị Quyết có hiệu lực từ ngày 01 tháng 01 năm 2022) Theo đó, sáp nhập toàn bộ diện tích và dân số của Quận 2, Quận 9 và quận Thủ Đức thành lập thành phố Thủ Đức thuộc TP.HCM – thành phố đầu tiên và duy nhất thuộc loại hình đơn vị hành chính thành phố thuộc thành phố trực thuộc trung ương tại Việt Nam

Thành phố Thủ Đức nằm ở cửa ngõ phía Đông của Thành phố Hồ Chí Minh, có vị trí địa lý: phía Đông giáp thành phố Biên Hòa và huyện Long Thành thuộc tỉnh Đồng Nai với ranh giới là sông Đồng Nai; phía Tây giáp Quận 12, quận Bình Thạnh, Quận 1 và Quận 4 với ranh giới là sông Sài Gòn; phía Nam giáp Quận 2, Quận 9 và phía Bắc giáp tỉnh Bình Dương Các chức năng sử dụng đất của thành phố Thủ Đức đang chuyển dịch dần từ nông nghiệp và công nghiệp sang công nghiệp công nghệ cao và dịch vụ, với các chức năng dịch vụ tập trung nhiều hơn tại Quận 2 và Quận Thủ Đức cũ Thủ Đức có địa hình tương đối bằng phẳng, với độ cao trung bình từ 1 đến 2 mét so với mực nước biển Nơi đây có một số khu vực gò đồi thấp, như khu vực Linh Đông, Linh Tây, và một số khu vực trũng thấp ven sông Sài Gòn và sông Đồng Nai Thủ Đức có khí hậu nhiệt đới gió mùa, với hai mùa mưa và khô rõ rệt Mùa mưa thường kéo dài từ tháng 4 đến tháng 11, với lượng mưa trung bình khoảng 2.000 mm Mùa khô thường kéo dài từ tháng 12 đến tháng 4, với lượng mưa trung bình khoảng 500 mm

Hàng tháng, triều xuất hiện 2 lần nuớc cao (triều cuờng) và 2 lần nuớc thấp (triều kém) theo chu kỳ trang Dạng triều lúc cuờng và lúc kém cung khác nhau, và trị số trung bình của các chu kỳ ngày cũng tạo thành một sóng có chu kỳ 14,5 ngày với biên dộ 0,30-0,40 m Trong năm, đỉnh triều có xu thế cao hơn trong thời gian từ tháng XII-I và chân triều có xu thế thấp hơn trong khoảng từ tháng VII-VIII Ðuờng trung bình của các chu kỳ nửa tháng cũng là một sóng có trị số thấp nhất vào tháng VII-VIII và cao nhất vào tháng XII-I

Đặc điểm tự nhiên của Thủ Đức có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển kinh tế - xã hội của thành phố Vị trí địa lý thuận lợi giúp Thủ Đức phát triển giao thông vận tải, thu hút đầu tư và du lịch Địa hình tương đối bằng phẳng thuận lợi cho việc phát triển công nghiệp và đô thị Khí hậu nhiệt đới gió mùa thích hợp cho canh tác nông nghiệp và phát triển các ngành nghề kinh tế khác Hệ thống sông ngòi dày đặc giúp điều hòa khí hậu, cung cấp nước sinh hoạt và phát triển giao thông thủy Tài nguyên thiên nhiên phong phú là nguồn nguyên liệu cho các ngành công nghiệp và là tiềm năng phát triển du lịch Tuy nhiên, Thủ Đức cũng đang phải đối mặt với một số vấn đề môi trường, đặc biệt là ngập úng đô thị và ô nhiễm nước mặt là hai vấn đề quan trọng thành phố Thủ Đức cần giải quyết

2.1.2 Hiện trạng ngập úng đô thị và ô nhiễm nước mặt

Trong những năm gần đây, tình trạng ngập úng đô thị tại Thủ Đức đã trở nên nghiêm trọng hơn do nhiều yếu tố, bao gồm sự phát triển nhanh chóng của các khu đô thị, hệ thống cống thoát nước không đủ, và tác động của biến đổi khí hậu Mưa lớn và cơn bão thường xuyên gây ra ngập úng, đặc biệt là trong mùa mưa, khiến cho nhiều khu vực dân cư xảy ra tình trạng ngập úng Ngoài ra, ô nhiễm nước mặt cũng là một vấn đề đáng lo ngại tại thành phố Thủ Đức Sự phát triển nhanh chóng của các khu đô thị chưa có quy hoạch, và việc xả thải từ các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt là những nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm nước mặt tại khu vực này

Theo Sở Giao thông Vận tải TP.HCM, Thủ Đức là một trong những khu vực thường xuyên xảy ra ngập úng do mưa lớn và triều cường Một số khu vực trũng thấp như Linh Trung, Linh Đông, Tam Bình, Hiệp Bình Phước thường xuyên bị ngập sâu, ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống sinh hoạt và giao thông của người dân Theo báo cáo của Trung tâm Chống ngập TP.HCM, trong năm 2022, đã có 129 điểm ngập trên địa bàn thành phố, với thời gian ngập trung bình từ 30 phút đến 2 tiếng

Hiện tại, hệ thống thoát nước tại khu vực nghiên cứu chỉ mới được lắp đặt chủ yếu ở các đường lớn; tại các hẻm, phần lớn cống thoát nước chưa được lắp đặt, vẫn đang trong quá trình triển khai Do đó, nhiều đoạn cống chưa được kết nối với nhà máy xử lý nước thải và do hệ thống thoát nước chưa được đầu tư hoàn chỉnh nên thường xuyên dẫn tới ngập, một số đoạn đường thường xuyên ngập vào mùa mưa như đường Kha Vạn Cân, tỉnh lộ 43, đường Gò Dưa,…Việc ngập nước ảnh hưởng nhiều đến đời sống người dân: nước ngập cả vào nhà kéo theo rác thải và côn trùng Khi rút, bùn đất bám dày nền gạch, trơn nhẹp, bốc mùi hôi Hiện tại, cơ quan chính quyền đang đẩy nhanh tiến độ thực hiện các dự án nâng cấp, cải tạo hệ thống thoát nước để giảm tình trạng ngập Bên cạnh đó, giải pháp về quy hoạch phát triển đô thị hợp lý như sử dụng không gian chưa bị đô thị hóa để xây dựng các công viên có khả năng chứa nước; giải tỏa các vị trí lấn chiếm kênh rạch nhằm gia tăng diện tích bề mặt tự nhiên; xây dựng các điểm trữ nước tạm thời khi có mưa lớn cũng sẽ góp phần giải quyết tình trạng ngập úng cho khu vực này

Về hiện trạng thoát nước và xử lý nước thải Thành phố Hồ Chí Minh , Thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM), trung tâm đô thị của miền Nam Việt Nam, là một trong những Thành phố phát triển năng động nhất ở Châu Á Thành phố nằm ở hạ lưu lưu vực sông Đồng Nai với diện tích 2095,4 km2, dân số khoảng 9,2 triệu người (Niên giám thống kê 2021) Trung tâm Thành phố nằm cách biển Đông gần 50 km Địa hình khu vực này có độ cao cao dần về phía bắc và đông bắc TP.HCM thuộc vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, có hai mùa rõ rệt là mùa mưa và mùa khô Mùa mưa kéo dài từ tháng 5 đến tháng 11 trong khi mùa khô kéo dài từ tháng 12 đến tháng 4 Thành phố có lượng mưa trung bình hàng năm cao, từ 1200 mm đến 1900 mm và 90% lượng mưa hàng năm này xảy ra vào mùa mưa (Phạm và cộng sự, 2021) Bên cạnh đó, TP.HCM còn chịu ảnh hưởng của bán nhật triều biển Đông, với mực nước cao nhất trung bình +1,4m tại trạm Phú An (10o46'N –106o42'E, thuộc địa bàn Quận 2, trung tâm TP.HCM)

Do đó, việc phải chịu ảnh hưởng từ tác động kết hợp của mưa lớn trong mùa mưa và mực nước triều cường làm nhiều địa điểm trong thành phố thường xuyên xảy hiện tượng ngập úng đô thị vào mùa mưa Theo báo cáo Sở Xây dựng, tình hình mưa, ngập nước năm 2021-2022 cho thấy TP.HCM xảy ra ngập ở 39 tuyến đường Mặt khác, sự tăng trưởng kinh tế và dân số cùng với việc thiếu đầu tư vào hệ thống quản lý nước ở các siêu đô thị đe dọa đến sự an toàn của nguồn nước (Kumar, 2019) Riêng 3 nhà máy xử lý nước thải đang vận hành là Bình Hưng Hòa, Bình Hưng và Tham Lương – Bến Cát với tổng công suất gần 200.000 m3/ngày, bằng khoảng 10-20% so với lượng nước thải sinh hoạt của người dân TP.HCM Do đó, phần nước thải còn lại chưa qua xử lý sẽ đổ ra hệ thốngkênh rạch, không những làm ảnh hưởng đến hoạt động sinh hoạt của người dân mà còn tác động tiêu cực đến hoạt động sản xuất và cung cấp nước sạch khi sông Sài Gòn và sông Đồng Nai là hai nguồn nước chính để sản xuất nước sạch của TP.HCM

Để giải quyết những vấn đề trên, TP.HCM đã đề xuất và triển khai các dự án để giảm thiểu những tác động đó Đối với vấn đề ngập úng, dự án chống triều cường 10 nghìn tỷ đồng đã được triển khai để kiểm soát ngập triều, xây dựng và nâng cấp hệ thống thoát nước, mục tiêu hoàn thành vào năm 2021 Về vấn đề nước thải, Thủ tướng Chính Phủ phê duyệt Quyết định số 24/QĐ-TTg ngày 06 tháng 01 năm 2010 về phê

duyệt điều chỉnh Quy hoạch chung xây dựng TP.HCM đến năm 2025 với mục tiêu xây dựng tổng cộng 12 nhà máy xử lý nước thải tập trung cho lưu vực Tàu Hũ – Bến Nghé – Đôi – Tẻ (nâng công suất lên 512.000 m3/ngày vào năm 2025), lưu vực Tây Sài Gòn (công suất 120.000 m3/ngày), Tân Hóa – Lò Gốm (công suất 300.000 m3/ngày), lưu vực Nam Sài Gòn (công suất 170.000 m3/ngày), lưu vực Đông Sài Gòn (công suất 350.000 m3/ngày), lưu vực Bắc Sài Gòn I (công suất 170.000 m3/ngày), lưu vực Bắc Sài Gòn II (công suất 130.000 m3/ngày), lưu vực Tham Lương – Bến Cát (công suất 250.000 m3/ngày), lưu vực Nhiêu Lộc – Thị Nghè (công suất 500.000 m3/ngày), lưu vực Bình Tân (công suất 180.000 m3/ngày), lưu vực rạch Cầu Dừa (công suất 100.000 m3/ngày) và lưu vực Tây – Bắc thành phố (công suất 130.000 m3/ngày) Tuy nhiên, tổng công suất của 12 nhà máy xử lý nước thải chỉ chiếm 80% lượng nước thải sinh hoạt hiện nay và sẽ còn giảm theo thời gian do dân số trong tương lai sẽ ngày càng tăng (Nguyen, 2021) Do đó, các giải pháp tự nhiên được xem như là phương án có thể hỗ trợ trong việc quản lý nước đô thị, giảm áp lực lên hệ thống thoát nước và tạo ra những đô thị bền vững hơn về môi trường Việc tích hợp các giải pháp này không chỉ giúp đối phó với vấn đề ngập lụt, mà còn cải thiện chất lượng nước và tạo ra không gian sống thoải mái, xanh mát cho cư dân đô thị Các giải pháp này không chỉ mang lại lợi ích ngay lập tức mà còn góp phần vào sự bền vững và tính chất thân thiện với môi trường của đô thị trong dài hạn, được đề cập cụ thể tại phần sau

2.2 Các giải pháp tự nhiên

Các giải pháp dựa vào tự nhiên (GPTN) tiếng anh là nature-based solution được IUCN định nghĩa là “Các hành động nhằm bảo vệ, quản lý bền vững và khôi phục các hệ sinh thái tự nhiên nhằm giải quyết các thách thức xã hội một cách hiệu quả và thích ứng, đồng thời mang lại lợi ích cho con người và đa dạng sinh học”(Cohen-Shacham và cộng sự, 2016) Đối với mục tiêu tổng quát, GPTN được thiết kế để giải quyết các thách thức lớn của xã hội, bao gồm an ninh lương thực, biến đổi khí hậu, an ninh nguồn nước, sức khỏe con người, rủi ro thiên tai, phát triển kinh tế và xã hội Hình 2.1 cho thấy GPTN được phân loại thành ba loại chính bao gồm (i) các giải pháp dựa trên các hệ sinh thái tự nhiên hoặc được bảo vệ hiện có, (ii) các giải pháp dựa trên việc phát triển các giao thức và quy trình quản lý bền vững cho các hệ sinh

thái được quản lý hoặc phục hồi và (iii) các giải pháp liên quan đến việc tạo ra các hệ sinh thái mới

Hình 2.2 Các loại hình GPTN (Eggermont và cộng sự, 2015)

GPTN ngày càng phổ biến như một khái niệm chung cho các phương pháp tiếp cận dựa trên hệ sinh thái nhằm giải quyết các thách thức xã hội về biến đổi khí hậu, thiên tai, an ninh lương thực và nước, sức khỏe và hạnh phúc của con người cũng như phát triển kinh tế và xã hội (Bush và Doyon, 2019) Trong nghiên cứu này, GPTN được ứng dụng để giảm thiểu hiện tượng quá tải của hệ thống thoát nước đô thị Hình 2.2 minh họa sơ đồ quản lý nước đô thị bền bền vững với việc áp dụng GPTN so với mô hình quản lý truyền thống như hiện tại Trong quản lý nước đô thị bền bền vững, GPTN có thể mang lại những lợi thế thông qua không gian mở (ví dụ: công viên đô thị), cơ sở hạ tầng xanh (ví dụ: vùng đất ngập nước, công viên ven sông, vườn mưa) và các yếu tố được xây dựng tại các tòa nhà như MNX hoặc tường xanh (Ramírez-Agudelo và cộng sự, 2020) Các giải pháp tự nhiên có thể được tích hợp vào thiết kế và quản lý của các tòa nhà để giảm áp lực lên hệ thống thoát nước Điều này không chỉ giúp kiểm soát lượng nước mưa và ngăn chặn lụt lội mà còn giúp cải thiện chất lượng nước, tạo ra môi trường sống tốt hơn Mặc dù có thể xem xét nhiều loại hình GPTN, nhưng chỉ có các công trình đất ngập nước và MNX được xây dựng có tính khả thi cao để được tích hợp trong khu vực đô thị do diện tích xây dựng và hiệu quả của chúng sẽ được đề cập trong phần tiếp theo

Hình 2.3 Mô hình quản lý nước đô thị cổ điển và quản lý nước đô thị bền vững với những GPTN (Masi và cộng sự, 2018)

2.2.1 Đất ngập nước

Đất ngập nước (ĐNN) là những khu vực được bao phủ bởi nước hoặc đất ngập nước trong một phần đáng kể của thời kỳ sinh trưởng của thảm thực vật Chúng là vùng đất chuyển tiếp giữa hệ thống trên cạn và dưới nước và có đặc điểm là mực nước ngầm thường ở hoặc gần đất liền, hoặc bởi vùng đất bị nước nông bao phủ ĐNN được thực hiện để xử lý sơ cấp và thứ cấp nhằm xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải nông nghiệp, nước thải thoát than, nước thải nhà máy lọc dầu, nước rỉ rác từ bãi rác và phân hữu cơ, nước thải ao cá, nước thải công nghiệp từ nhà máy giấy và bột giấy, nhà máy dệt, hải sản xử lý, v.v ĐNN là hệ thống xử lý có chi phí thấp và hiệu quả nếu được thiết kế, vận hành và bảo trì cẩn thận (Parde và cộng sự, 2021) Đất ngập nước được phân loại thành đất ngập nước tự nhiên và đất ngập nước nhân tạo Đất ngập nước tự nhiên là hệ sinh thái có sẵn trong môi trường, có chức năng lọc và cải thiện chất lượng nước đi qua hệ thống Trong khi đó, các vùng ĐNN nhân tạo được thiết kế và xây dựng để tối ưu hóa quá trình tự nhiên nhằm cải thiện khả năng loại bỏ chất ô nhiễm trong môi trường được kiểm soát Do đó, mặc dù cả hai loại đất ngập nước này đều có thể được coi là giải pháp tự nhiên cho hệ thống xử lý nước thải thông thường nhưng vùng ĐNN tự nhiên có hiệu quả loại bỏ thấp hơn ĐNN nhân tạo do mạch nước ngắn và thời gian lưu giữ ít sau đó

So với các nhà máy xử lý nước thải thông thường, ĐNN yêu cầu không gian lớn hơn, do đó tiết kiệm hơn so với các phương án khác nhưng chỉ với những nơi có đất trống dành cho phương pháp này Do đó, ở các khu vực nông thôn còn hạn chế trong

việc tiếp cận các hệ thống nước thải, ĐNN phù hợp để xử lý nước thải phi tập trung ĐNN đang được phổ biến rộng rãi do những lợi ích của giải pháp này liên quan đến bảo tồn chất lượng môi trường, bảo tồn cảnh quan Ngày nay, ĐNN cần đáp ứng các mục tiêu mới như tái sử dụng nước, phục hồi chất dinh dưỡng, sản xuất năng lượng và các dịch vụ hệ sinh thái (Ingrao và cộng sự 2020)

Về cơ chế xử lý nước thải, các quá trình ảnh hưởng đến việc loại bỏ và lưu giữ nitơ trong quá trình xử lý nước thải ở ĐNN rất đa dạng và bao gồm bay hơi amoniac, nitrat hóa, khử nitrat, cố định nitơ, hấp thu thực vật và vi sinh vật, khoáng hóa, khử nitrat thành amoni (nitrat-ammon hóa), oxy hóa amoniac kỵ khí, phân mảnh, hấp phụ, giải hấp, chôn lấp và lọc Tuy nhiên, cuối cùng chỉ có một số quy trình loại bỏ tổng nitơ khỏi nước thải trong khi hầu hết các quy trình chỉ chuyển đổi nitơ thành các dạng khác nhau Do đó, các loại ĐNN khác nhau có thể được kết hợp với nhau để khai thác những lợi thế cụ thể của từng hệ (Taylor và cộng sự, 2005)

Sự biến đổi phốtpho trong quá trình xử lý nước thải trong ĐNN bao gồm hấp phụ, giải hấp, kết tủa, hòa tan, hấp thu thực vật và vi sinh vật, phân mảnh, lọc, khoáng hóa, lắng đọng (bồi tụ than bùn) và chôn lấp Các quá trình loại bỏ phốtpho chủ yếu là hấp thụ, kết tủa, hấp thụ thực vật (với vụ thu hoạch tiếp theo) và bồi tụ than bùn/đất Tuy nhiên, ba quá trình đầu tiên có tính bão hòa và quá trình bồi tụ đất chỉ xảy ra ở các ĐNN mặt nước tự do có cây mới nổi Khả năng loại bỏ phốtpho ở tất cả các loại đất ngập nước được xây dựng là thấp trừ khi sử dụng chất nền đặc biệt có khả năng hấp phụ cao Ngoài ra, hiệu suất của ĐNN phụ thuộc vào nồng độ chất gây ô nhiễm đầu vào, tải trọng thủy lực, pH, điều kiện oxy hóa khử, nhiệt độ và sự có mặt của các loài thực vật, vi khuẩn liên hợp; Tải trọng thủy lực (lượng nước chảy qua hệ thống) cũng đóng vai trò quan trọng Nếu lượng nước vượt quá khả năng xử lý của ĐNN, có thể dẫn đến hiện tượng quá tải, làm giảm hiệu suất xử lý của hệ thống (Vergeles và cộng sự, 2015)

Mặc dù ĐNN được biết đến với chức năng như một hệ thống xử lý nước thải, nhưng chúng có thể đóng góp vào việc quản lý nước mưa Đặc biệt, việc quản lý nước mưa có thể được thực hiện bằng cách thiết lập các công viên nước với các lưu vực mở rộng để giữ nước mưa khi mưa lớn như minh họa trong trường hợp cụ thể của Gorla Maggiore ở miền bắc nước Ý (Hình 2.4) Tập hợp các vùng đất ngập nước tại

khu vực này có nhiều vai trò như lưu giữ ô nhiễm, khu vực đệm cho các sự kiện lũ lụt, duy trì đa dạng sinh học và khu vực giải trí

Hình 2.4 Ứng dụng ĐNN công viên Gorla Maggiore, Ý (Reynaud và cộng sự, 2017)

2.2.2 Mái nhà xanh

Theo định nghĩa, mái nhà xanh (MNX) được coi là mái nhà thực vật, mái nhà sinh thái, vườn trên mái hoặc mái nhà sinh hoạt Mặt khác, MNX là những mái nhà được trồng nhiều loại thực vật trên đỉnh giá thể MNX được xây dựng trên các mái nhà để cách nhiệt và giảm các ảnh hưởng bất lợi của quá trình đô thị hóa

MNX hiện đại bắt đầu xuất hiện ở Đức vào đầu những năm 1960 khi xảy ra khủng hoảng năng lượng Người Đức bắt đầu xây dựng MNX để giảm tiêu thụ năng lượng trong các tòa nhà Trong lĩnh vực MNX hiện đại, Đức được biết đến là quốc gia dẫn đầu thế giới về MNX dựa trên quy mô lớn đang được phát triển, thiết kế và triển khai (X Zhang và cộng sự, 2011) Ngày nay, các nước như Mỹ, Canada, Singapore, Australia, Nhật Bản, Trung Quốc, Hồng Kông và Hàn Quốc đang có sáng kiến mạnh mẽ để áp dụng MNX tại các tòa nhà mới cũng như hiện có để đạt được nhiều lợi ích

MNX được cấu tạo từ nhiều thành phần như thảm thực vật, giá thể, lớp lọc, vật liệu thoát nước, vật liệu cách nhiệt, lớp màng ngăn rễ và màng chống thấm Mỗi thành

phần đóng vai trò quan trọng như nhau để MNX hoạt động tốt hơn MNX thường được phân thành bốn loại gồm MNX sâu, bán chuyên sâu, rộng đơn mức và rộng đa mức MNX sâu được phân loại dựa trên độ dày nền (> 12 inch), nhiều loại cây, thực vật tương tự cảnh quan trên mặt đất, khả năng giữ nước cao, chi phí vốn và bảo trì cao cũng như trọng lượng lớn hơn Do độ sâu của đất lớn nên nó có khả năng giữ nước nhiều hơn và việc lựa chọn thực vật có thể đa dạng hơn như cây nhỏ và cây bụi Điều này cũng đòi hỏi phải xem xét nhiều hơn về khả năng chịu tải trọng lớn của kết cấu công trình (Shafique và cộng sự, 2018) Vì vậy, loại mái này đòi hỏi phải bảo dưỡng cao bằng hình thức tưới tiêu, làm cỏ và bón phân MNX có độ dày lớp nền từ 6–12 inch, được gọi là MNX bán sâu MNX bán sâu có độ dày lớp nền vừa phải và thường chứa các loại cây nhỏ, cây bụi nhỏ và cỏ Những mái nhà này yêu cầu bảo trì thường xuyên và chi phí vốn cao để có hiệu suất tốt hơn Mặt khác, MNX rộng một lớp là mái có độ dày lớp nền từ 3–4 inch Trong mái rộng một lớp, chủ yếu sử dụng trầm tích làm lớp thực vật và thường không cần tưới nước Nó đòi hỏi ít vốn và chi phí bảo trì so với tất cả các mái nhà khác Những mái nhà này thường có trọng lượng rất nhẹ và rất hữu ích ở những nơi hạn chế về trọng lượng của tòa nhà Trong khi MNX rộng đa mức có độ dày lớp nền từ 4–6 inch Loại mái này thường có trọng lượng nhẹ và chủ yếu được sử dụng ở Mỹ Trong số bốn loại, mái rộng đơn mức và đa mức phổ biến nhất trên thế giới do trọng lượng nhẹ hơn, không đòi hỏi tưới tiêu ít vốn và chi phí bảo trì

MNX có thể mang lại nhiều lợi ích như giữ nước mưa, nâng cao chất lượng nước, giảm chi phí năng lượng, làm sạch không khí, giảm tiếng ồn và các lợi ích khác Trong số đó, khả năng giữ nước mưa dường như là thế mạnh tốt nhất của MNX khi thực vật và các lớp giá thể có thể trữ một lượng nước lớn Zhang và cộng sự (2015) xem xét 19 cơn mưa; kết quả chỉ ra rằng MNX giữ lại dòng chảy với tỷ lệ trung bình là 77,2% Hơn nữa, một nghiên cứu ở Manchester, Vương quốc Anh đã đưa ra kết quả tương tự từ 69 trận mưa mà MNX giữ lại dòng chảy 65,7% (Speak và cộng sự, 2013) Do mang lại nhiều lợi ích, MNX đang được triển khai ở nhiều nước Nhiều nghiên cứu đang được tiến hành thực hiện xây dựng hệ thống và hiệu quả của MNX ở các khu vực khác nhau trên thế giới Bên cạnh đó, các nước cũng xem trọng các

công trình MNX khi có Giải thưởng Công trình xuất sắc năm cho loại công trình này (Hình 2.5)

So với ĐNN, MNX có thể được ưu tiên trong quản lý nước đô thị và khi hệ thống thoát nước quả tải, đặc biệt là ở các nước đang phát triển Thứ nhất, đô thị hóa sẽ cản trở ĐNN đòi hỏi diện tích xây dựng lớn khi kinh tế dường như là ưu tiên hàng đầu ở các siêu đô thị Do đó, MNX vượt trội so với ĐNN khi chúng có thể được thi công trên mái nhà của tất cả các tòa nhà trong khu đô thị Thứ hai, từ bài học kinh nghiệm của các nước phát triển, Chính phủ các nước này đã đưa ra các chính sách khuyến khích xây dựng MNX Cụ thể, ở Tokyo, Nhật Bản, MNX được yêu cầu ở cả công trình tư nhân và công cộng nếu diện tích xây dựng lớn hơn 1000m2 (tòa nhà tư nhân) và 250 m2 (tòa nhà công cộng) Bên cạnh đó, tại các thành phố ở Áo và Thụy Sĩ, phí nước mưa sẽ được giảm cho chủ sở hữu tòa nhà sau khi áp dụng MNX hoặc chủ sở hữu có thể được hoàn trả 20% tổng chi phí MNX (Brenneisen, 2004)

Hình 2.5 MNX được chọn cho Giải thưởng Công trình xuất sắc năm 2016: MNX cho các tòa nhà dân cư (1,2); tòa nhà thể chế (3,4); tòa nhà thương mại (5,6)

(Nguồn: greenroofs.org)

2.2.3 Thu gom nước mưa

Việc xây dựng các công trình thu gom nước mưa cũng là một phương án vì không những tăng cường chống ngập cho khu vực mà còn có thể bảo tồn một lượng nước lớn cho nhiều mục đích trong tương lai Ngoài ra, việc thu gom nước mưa là rất phù hợp với khí hậu Việt Nam do nằm trong môi trường nhiệt đới gió mùa, độ ẩm và lượng mưa cao

Đến năm 2025, khoảng 70% dân số thế giới sẽ phải đối mặt với tình trạng thiếu nước (Li và cộng sự, 2013) Việc thu gom nước mưa ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc tích trữ và cung cấp nước sử dụng trong mùa khô Nước mưa cũng gây nguy cơ ô nhiễm đáng kể khi nước mưa chảy qua các bề mặt đất hoặc đường giao thông và tập hợp các chất gây ô nhiễm như phù sa, phân bón, vi sinh vật từ chất thải của động vật và con người, và các sản phẩm phụ của dầu mỏ (rò rỉ dầu) Do đó, việc thu gom nước mưa cũng góp phần hạn chế ô nhiễm nước nguồn nước và nguồn nước thu gom có thể được sử dụng để tưới tiêu, làm sạch đường phố và thay nước xả nhà vệ sinh (Ogale, 2020)

Hình 2.6 Ứng dụng thu gom nước tại nhà

2.2.4 Lựa chọn giải pháp tự nhiên

Để đạt được mục đích nghiên cứu là đánh giá kết quả mô phỏng ứng dụng giải pháp tự nhiên đến chất lượng nước mặt, một trong những giải pháp tự nhiên sẽ được

chọn để thực hiện việc mô phỏng Trên cơ sở những dẫn chứng trên, lựa chọn MNX không chỉ là một giải pháp hiệu quả mà còn là quyết định đúng đắn và bền vững Trong khi đất ngập nước và các giải pháp truyền thống có thể đặt ra những thách thức về không gian và chi phí, MNX không chỉ giảm áp lực lên hệ thống thoát nước mà còn đáp ứng một cách linh hoạt và hiệu quả với các đặc điểm cụ thể của từng tòa nhà và đô thị Điều này không chỉ tối ưu hóa sự sử dụng không gian mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho sự tương tác giữa con người và môi trường

2.3 Phần mềm F28

Phần mềm F28 được phát triển bởi PGS.TS.Lê Song Giang, dùng để ứng dụng giải các bài toán về thủy lực, mô tả dòng chảy và quá trình lan truyền các chất bởi dòng chảy(Giang & Phương, 2009) (Hồng & Giang, 2014)

Mô hình F28 được sử dụng trong nghiên cứu để đánh giá mức độ hiệu quả của GPTN thông qua hai tiêu chí gồm mức độ hạn chế hiện tượng ngập úng và lan truyền chất ô nhiễm Phương pháp số ứng dụng trong mô hình này phương pháp thể tích hữu hạn (lời giải giữ lại được bản chất bảo toàn của phương trình vi phân nên phù hợp nhất cho tính toán thủy lực) Phương pháp thể tích hữu hạn được tóm lược như sau:

Xét phương trình vi phân đạo hàm riêng dưới dạng bảo toàn trong miền Ω (Hình 2.7) Phương trình này được viết:

( )fSt

Hình 2.7 Mô tả phương trình vi phân đạo hàm riêng ở dạng bảo toàn trong miền Ω

Với f là hàm ẩn, F là vector thông lương của f,  là toán tử vi phân và S là số

hạng nguồn Miền Ω được chia thành các phần tử nằm liền kề nhau nhưng không chồng lên nhau Các phần tử có thể có hình dạng khá tự do và không nhất thiết phải

P

Ω

Ωi

cùng một kiểu Các phần tử này được gọi là các thể tích kiểm soát Trên mỗi thể tích

kiểm soát ta chọn một điểm đại diện, nơi sẽ xác định giá trị của hàm f Thông thường

điểm đại diện sẽ được chọn tại tâm của thể tích kiểm soát nhưng không bắt buộc

Xét thể tích kiểm soát Ωi với điểm đại diện P Tích phân (2.1) trên Ωi và sử dụng công thức Green cho tích phân thứ 2, được:

( )

P FfSt

Để tính mức độ hiệu quả GPTN, mô hình được xây dựng theo các module sau:

❖ Dòng chảy 1 chiều trong kênh, sông

Dòng chảy trong kênh, sông được coi là 1 chiều và được mô tả bởi phương trình Saint – Venant (Cunge và cộng sự, 1980):



2 0

Trong đó:  – mực nước; Q – lưu lượng;

ql – lưu lượng nhập lưu trên 1 đơn vị chiều dài

K – module lưu lượng;

Va – thành phần vận tốc dọc trục của ql

A – diện tích mặt cắt ướt (A = f());

Module lưu lượng được tính theo công tức:

RACK =

Với R – bán kính thủy lực; C – số Chezy và được tính theo công thức Manning:

Hình 2.8 Sơ đồ mạng sông 1D

Hình 2.9 Sơ đồ nút 1D

❖ Dòng chảy 2 chiều

Dòng chảy trong các vùng biển, trong các hồ, ao, ô trũng, thảm thực vật… hoặc ngay cả trong các sông rộng khi thành phần vận tốc theo phương thẳng đứng là vô cùng nhỏ và có thể bỏ qua thì có thể được mô tả bởi phương trình Saint – Venant (Cunge và cộng sự, 1980):

( ) ( )qbqF

+

F(q) –vector thông lượng của q với 2 thành phần trên các phương x và y như

sau:

AH - hệ số nhớt rối Theo công thức Elder, AH được tính :

Du6AH = *

Với u* - vận tốc ma sát (u =*2 b )

b(q) – vector nguồn:

τb 2,333 2 2.q

= 

với: n – hệ số nhám Manning

❖ Dòng chảy động học 2 chiều (dòng chảy tụ)

Dòng chảy tụ chảy tràn trên mặt đất có thể được tính bằng các mô hình thủy văn và cũng có thể được tính bằng cách giải phương trình Saint – Venant hai chiều đơn giản hóa Thay cho 2 phương trình động lượng, người ta dùng các công thức Manning Phương trình này viết như sau:



=2/3  

=2/3  

Trong đó :

U – vector vận tốc trung bình chiều sâu;

D – độ sâu;

RF, IN và ET – cường độ mưa, thấm và bốc hơi ;

qv - lưu lượng bổ sung trên 1 đơn vị diện tích bề mặt; n – hệ số nhám Manning ;

Ss – độ đốc mặt nước, tính bằng

Ss =+

Thay (2) và (3) vào (1), được phương trình cho dòng tràn trên mặt đất :

Với :

❖ Dòng chảy trong cống và trên đường phố

Dòng chảy trong cống cũng là 1 chiều Tuy nhiên, khác với kênh hở, trạng thái chảy trong kênh có thể thay đổi Có lúc là không áp nhưng cũng có thời gian lại ở

khi Ss  và D > Dmin (2.9)

trạng thái có áp Dòng chảy trên đường (khi bị ngập) tùy yêu cầu tính toán mà có thể xem là dòng chảy 1 chiều hoặc 2 chiều Do dòng chảy trên đường và dòng chảy trong cống luôn đi một cặp và có tương tác chặt chẽ với nhau nên hai dòng chảy này được tính bằng một sơ đồ riêng Trong tính toán, ta phân biệt 3 trạng thái chảy khác nhau trong hệ thống cống và đường phố và sơ đồ của 3 trạng thái chảy này được trình bày trên hình 2.11

Thực tế hố ga có nắp, nhưng để đơn giản cho tính toán, ta xem là hố ga hở và có chiều cao không giới hạn Ngoài ra, để đơn giản trong tính toán, khi dùng mô hình 1 chiều cho dòng chảy trên đường ta xem mặt đường là phẳng

Dòng chảy trong cống sẽ được giải từ phương trình Saint – Venant:

Dòng chảy trên đường, nếu xem là 1 chiều, cũng sẽ được giải từ phương trình Saint – Venant Nếu xem dòng chảy trên đường là 2 chiều, dòng chảy này sẽ được giải từ phương trình nước nông:

2.

ci – mực nước trong hố ga thứ i

di – mực nước trên mặt đường tại hố ga thứ i

zhi – cao trình ngưỡng miệng hố ga; Và z =di −ci

Hình 2.10 Ba trạng thái chảy trong hệ thống cống – đường phố

❖ Vận tải chất 1 chiều

Quá trình vận tải một chất hòa tan hoặc lơ lửng bất kỳ trong sông, nếu được mô hình hoá thành bài 1 chiều, được mô tả bởi phương trình phương trình vận tải chất (Brown và Barnwell, 1987):

b) Cống chảy có áp, chưa ngập miệng hố ga

Lòng cống Mặt đường

Qci+1/2

Qdi+1/2

i

( )ASq(CC)

ql0, λql0, Cql – lưu lượng nhập lưu trên 1 đơn vị chiều dài, lưu lượng lấy lên từ

kênh và nồng độ chất tải trong nước nhập lưu; (λ – hệ số; λql0 ≥ 0; nếu so với (II.1)

j+1 j-1

Qcj+1/2