LỊCH SỬ VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN CÁC HỆ THỐNG HẠ TẦNG KỸ THUẬT TS. BÙI TRỌNG CẦU Bộ môn Xây dựng cơ sở hạ tầng Viện KH và CN xây dựng GT Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Hệ thống các công trình hạ tầng kỹ thuật đã được xây dựng từ rất lâu và đóng vai trò không thể thiếu cho các hoạt động sản xuất, kinh doanh, sinh hoạt của con người. Tuy nhiên, việc nghiên cứu về các hệ thống hạ tầng kỹ thuật một cách tổng thể và có hệ thống mới chỉ phát triển gần đây. Bài báo này trình bày một cái nhìn tổng quát về lịch sử cũng như xu hướng nghiên cứu và phát triển các hệ thống hạ tầng kỹ thuật. Summary: Infrastructure systems including systems of transport, electricity supply, water drainage, water supply etc., are constructed for thousands of years and play essential roles in human’s activities. Surprisingly, overall and systematic researches on infrastructure systems have only taken place recently. This paper presents an overview of the history and trends of research and development of infrastructure systems. MỞ ĐẦU Thuật ngữ “Hạ tầng” với cách hiểu hẹp là hạ tầng kỹ thuật (như Luật xây dựng của Việt nam) được sử dụng lần đầu vào quãng năm 1927 ở Mỹ. Hạ tầng – Infrastructure – là từ ghép của hai từ “phía dưới” (Infra-) và “công trình” hay “kết cấu” (structure) có nghĩa là “công trình dưới mặt đất”. Tuy nhiên, thuật ngữ này chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực quân sự. Đặc biệt, thuật ngữ này được sử dụng nhiều trong chiến tranh chống Mỹ khi người Mỹ nói về các căn cứ quân sự của quân Giải phóng miền Nam. Tới năm 1981 cuốn sách “America in Ruins: The Decaying Infrastructure” của P.Choate và S. Walter ra đời, thuật ngữ này mới được sử dụng rộng rãi như ngày nay. TCT1 Trong rất nhiều tài liệu, các công trình cơ sở hạ tầng được định nghĩa ngắn gọn là các công trình công cộng (public works). Theo hầu hết các từ điển Anh ngữ, các hệ thống cơ sở hạ tầng là các nền móng kỹ thuật, xã hội và kinh tế của một cộng đồng hay quốc gia với thành phần là các hệ thống giao thông, cấp - thoát nước, cung cấp năng lượng, bưu chính viễn thông, ngân hàng, giáo dục, y tế, sức khoẻ v.v Theo Luật xây dựng hiện hành của Việt nam, các hệ thống cơ sở hạ tầng bao gồm hệ thống các công trình hạ tầng kỹ thuật và hệ thống các công trình hạ tầng xã hội. Hệ thống công trình hạ tầng kỹ thuật bao gồm hệ thống giao thông, thông tin liên lạc, cung cấp năng lượng, chiếu sáng công cộng, cấp nước, thoát nước, xử lý các chất thải và các công trình khác. Hệ thống công trình hạ tầng xã hội bao gồm các công trình y tế, văn hoá, giáo dục, thể thao, thương mại, dịch vụ công cộng, cây xanh, công viên, mặt nước và các công trình khác. Hệ thống các công trình hạ tầng kỹ thuật đóng vai trò không thể thiếu cho các hoạt động sản xuất, kinh doanh, sinh hoạt v.v của con người. Việc nghiên cứu về từng hệ thống hạ tầng kỹ thuật riêng rẽ như hệ thống giao thông, hệ thống điện hay hệ thống cấp nước, thoát nước đã được thực hiện từ rất lâu ở khắp nơi trên thế giới. Tuy nhiên, có một điều đáng ngạc nhiên là các nghiên cứu về các hệ thống hạ tầng kỹ thuật một cách tổng thể và có hệ thống chỉ mới phát triển trong thời gian gần đây. Trong bài báo này, chúng tôi xin trình bày một cái nhìn tổng quát về lịch sử cũng như xu hướng nghiên cứu và phát triển các hệ thống hạ tầng kỹ thuật trên thế giới. Đó là các xu hướng nghiên cứu và phát triển hiện đang được hết sức quan tâm. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN CÁC HỆ THỐNG HẠ TẦNG KỸ THUẬT Các hệ thống hạ tầng kỹ thuật đã được xây dựng cùng với quá trình đô thị hoá từ cả ngàn năm trước. Việc nghiên cứu và xây dựng các hệ thống hạ tầng riêng lẻ đã phát triển hết sức mạnh mẽ và đạt được rất nhiều thành tựu vĩ đại để nhân loại có được một xã hội văn minh, hiện đại như hôm nay. Rất nhiều công trình hạ tầng kỹ thuật vĩ đại như các cây cầu lớn, kênh đào Panama, Kênh đào Xuy-ê, nhưng hệ thống xa lộ cao tốc ở Mỹ và Châu Âu khiến mọi người phải kinh ngạc và trầm trồ thán phục. Ở các trường Đại học Tổng hợp và Kỹ thuật trên thế giới đều có các khoa, bộ môn chuyên ngành về Giao thông, Cấp thoát nước, Cấp điện, Thông tin liên lạc v.v Cùng với cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật lần thứ 2, cả nghiên cứu và xây dựng các công trình hạ tầng kỹ thuật đã có một bước tiến vượt bậc so với những thế kỷ trước nhờ sự ra đời của các vật liệu mới, kết cấu mới và công nghệ xây dựng mới. Tuy nhiên, cuộc “khủng hoảng hạ tầng” ở Mỹ cuối những năm 1970 cùng với cuốn sách “America in Ruins: The Decaying Infrastructure” (tạm dịch: Nước Mỹ trong đổ nát: Hạ tầng mục nát) của P. Choate và S. Walter do NXB Duke Press phát hành năm 1981 đã làm nảy sinh một hướng mới trong nghiên cứu và phát triển các hệ thống hạ tầng kỹ thuật ở nước Mỹ và các nước khác. Đó là hướng nghiên cứu và phát triển các hệ thống hạ tầng kỹ thuật một cách tổng thể chứ không chỉ nghiên cứu và phát triển các hệ thống hạ tầng kỹ thuật một cách riêng rẽ. Việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống hạ tầng kỹ thuật một cách tổng thể được đặt ra do chính những bất cập thực tiễn mà các hệ thống hạ tầng kỹ thuật của các nước phát triển gặp phải. Những bất cập này là do không nhận thức được các đặc điểm chung của các hệ thống hạ tầng kỹ thuật dẫn tới sự thiếu đồng bộ trong qui hoạch, xây dựng và phát triển các hệ thống hạ tầng kỹ thuật. Có thể kể một số đặc điểm chung nổi bật của các hệ thống hạ tầng kỹ thuật như sau: CT 1 1. Những người sử dụng các dịch vụ do các hệ thống hạ tầng kỹ thuật cung cấp rất đa dạng: cơ quan, công ty, xí nghiệp, cá nhân thuộc đủ mọi lứa tuổi, thành phần: người khoẻ mạnh, người ốm, người tàn tật v.v 2. Những người sử dụng các dịch vụ mà các hệ thống hạ tầng cung cấp phải tuân theo các qui tắc nhất định, chẳng hạn ai đến trước sẽ được phục vụ trước, phải sử dụng các dịch vụ đúng cách thức theo qui định để bảo đảm an toàn, tránh ô nhiễm môi trường, phải trả tiền cho các dịch vụ thông qua vé, hoá đơn thanh toán v.v 3. Nhu cầu sử dụng các dịch vụ mà các hệ thống hạ tầng kỹ thuật cung cấp của những người sử dụng cũng rất phức tạp: có thể đồng thời bởi nhiều người hoặc theo thứ tự, có thể định kỳ hoặc bất chợt, cường độ sử dụng có thể thay đổi theo mùa trong năm, theo ngày trong tháng và thậm chí theo giờ trong ngày v.v 4. Thông thường, những người sử dụng có rất ít lựa chọn và trong nhiều trường hợp, người sử dụng bắt buộc phải sử dụng các dịch vụ của một nhà cung cấp độc quyền như dịch vụ đường hàng không hay điện, nước v.v 5. Các hệ thống hạ tầng có mối quan hệ với nhau rất chặt chẽ, hầu như không thể chia cắt hay hoạt động độc lập. Thí dụ, hệ thống cấp nước hay hệ thống giao thông công cộng như Metro, tàu điện không thể hoạt động nếu không được cung cấp điện. 6. Nhiều công trình và dịch vụ công cộng chỉ được sử dụng (used) chứ không bị tiêu thụ (consumed) ngoại trừ một số ít như nước sạch hay điện. Vì vậy, rất khó kiểm soát việc sử dụng vì ai cũng có thể sử dụng thoải mái với một số tiền nào đó và khi dịch vụ bị hạn chế thì những người có nhu cầu sử dụng có thể không có dịch vụ để sử dụng. 7. Nhiều công trình và dịch vụ công cộng tồn tại cho tất cả mọi người nhưng cũng “không tồn tại cho ai cả” (binary in nature) chẳng hạn như các dịch vụ sức khoẻ và vệ sinh môi trường phải hoạt động hằng ngày. 8. Các đặc điểm về vật lý và kỹ thuật của các hệ thống hạ tầng kỹ thuật khá đa dạng, phức tạp và không có khuôn mẫu chung cho mọi loại hệ thống. Nhìn chung, các hệ thống trên mặt đất có thể dễ dàng được sửa chữa, bảo dưỡng, nâng cấp và dễ dàng áp dụng các thành tựu công nghệ và kỹ thuật mới hơn là các hệ thống bên dưới mặt đất. 9. Việc xây dựng một hệ thống hạ tầng kỹ thuật đòi hỏi một lượng vốn đầu tư rất lớn. Đối với các công trình hạ tầng, hiệu quả kinh tế gián tiếp và hiệu quả xã hội quan trọng hơn nhiều so với hiệu quả kinh tế trực tiếp. 10. Lợi ích mà người sử dụng có tính cách cá nhân thu được từ các dịch vụ của các hệ thống hạ tầng, suy cho cùng, có thể qui về hai yếu tố là thời gian và sức khoẻ. Mặc dù các nhà khoa học đã nhận thức được việc phải nghiên cứu và phát triển các hệ thống hạ tầng kỹ thuật một cách tổng thể, mãi tới cuối năm 1989, một số trường Đại học hàng đầu của Mỹ và các nước phát triển như MIT, Đại học Stanford, Đại học Tokyo v.v mới thành lập các Bộ môn nghiên cứu về xây dựng và quản lý các hệ thống hạ tầng kỹ thuật. Mãi tới năm 1995, Hội Xây dựng Mỹ mới cho ra đời Tạp chí Các Hệ thống Hạ tầng (Journal of Infrastructure Systems). Ở Việt nam, một số trường đại học như Đại học Kiến trúc Hà nội, Đại học Kiến trúc TP HCM, Đại học Giao thông Vận tải vài năm gần đây mới thành lập ngành Kỹ thuật Hạ tầng Đô thị chủ yếu nhằm đáp ứng với nhu cầu đô thị hoá mạnh mẽ trong thời gian qua. Vụ Cơ sở Hạ tầng của Bộ Xây dựng cũng mới được thành lập vài năm nay còn Vụ Cơ sở Hạ tầng Giao thông của Bộ Giao thông Vận tải mới được thành lập trong năm nay. TCT1 XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN CÁC HỆ THỐNG HẠ TẦNG KỸ THUẬT Quan điểm nghiên cứu tổng thể về các hệ thống hạ tầng kỹ thuật do các nhà khoa học ở các nước phát triển, đặc biệt là Mỹ, khởi xướng. Không kể tới các nghiên cứu chuyên biệt cho các hệ thống hạ tầng riêng lẻ như giao thông, cấp điện, cấp nước v.v , hiện nay, các nghiên cứu về các hệ thống hạ tầng kỹ thuật tập trung vào một số vấn đề sau đây: 1. Nghiên cứu phát triển các hệ thống quản lý hạ tầng (Infrastructure Management Systems - IMS) Do các hệ thống hạ tầng kỹ thuật của các nước phát triển đã được xây dựng từ lâu và xem như đã tương đối “hoàn thiện” như đã nói ở trên, việc quản lý có hiệu quả nhất các hệ thống này bằng việc xây dựng các hệ thống quản lý hạ tầng (IMS), tiến tới xây dựng các hệ thống quản lý hạ tầng tích hợp (Integrated Infrastructure Management Systems - IIMS) là mối quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học ở các nước phát triển về hạ tầng hiện nay. 2. Nghiên cứu qui hoạch xây dựng các hệ thống hạ tầng một cách tổng thể từ qui hoạch ngắn hạn (hàng năm) tới qui hoạch dài hạn (10-30-50 năm). Những nghiên cứu này nhằm khắc phục những bất cập về qui hoạch mà các nước phát triển đã gặp phải để áp dụng cho các nước đang phát triển. Vấn đề thứ nhất là xác định qui mô đầu tư cho cỏc k hoch trung hn v di hn. õy l vn rt quan trng i vi cỏc nc ang phỏt trin, trong ú cú Vit nam. Cỏc phng tin thụng tin i chỳng ca chỳng ta thng hụ ho h tng phi i trc mt bc nhng khụng ai bit mt bc ú di bao nhiờu l va ! Theo Lý thuyt sn xut tõn c in (Neo-classical Theory of Production) cỏc tỏc ng ca cỏc h thng h tng c th hin thụng qua hm chi phớ v sn xut. Hỡnh 1 di õy mụ t cỏc tỏc ng tng sn lng v gim cỏc chi phớ nh u t vo cỏc h thng c s h tng trong nn kinh t th trng cnh tranh hon ho. Trờn hỡnh 1 ta thy, khi h thng h tng khụng nng lc ỏp ng vi nhu cu ca sn xut, cỏc cụng ty, xớ nghip s phi sn xut vi cỏc chi phớ biờn cao hn ti mi mc sn lng (MC1) v ch cú th sn xut c s sn lng mc giỏ th trng chp nhn l Q1. Khi u t xõy dng, ci tin h thng h tng bo m nng lc ỏp ng vi cỏc yờu cu ca sn xut, ng chi phớ biờn s dch chuyn xung mc chi phớ thp hn (MC2) v vỡ th s tit kim c cỏc chi phớ nu sn xut vi mc sn lng Q1 hoc tng sn lng (bng Q1- Q2) vi cựng chi phớ. Tuy nhiờn, khi u t cho cỏc h thng h tng k thut nhiu hn mc yờu cu thỡ s dn ti ng v lóng phớ vn u t. Hng nm, th gii chi khong 2000 t USD cho u t cho cỏc cụng trỡnh h tng k thut nờn vic xỏc nh sai qui mụ u t s gõy thit hi rt ln. Vn th hai l nghiờn cu phng phỏp qui hoch cỏc h thng h tng k thut trong khụng gian 3 chiu. Trc kia, cỏc h thng h tng k thut c coi l di mt t. Hin nay, khỏi nim ú ó lc hu. Cho ti thi im ny, mc dự ó tỡm kim (qua Internet) cỏc nh sỏch v cỏc th vin ln nht th gii, chỳng tụi mi thy cú mt cun sỏch duy nht v Qui hoch cỏc h thng h tng song, theo chỳng tụi, ni dung vn khỏ m h, thiờn v nh tớnh. Q1 Q2 MC1 MC2 Chi phí (đồng) Giá a b c d Sản lợng MC1: Chi phí biên khi hệ thống hạ tầng không đủ năng lực đáp ứng MC2: Chi phí biên khi các hệ thống hạ tầng đủ năng lực đáp ứng e H ỡnh 1. Tỏc ng ca cỏc h thng h tng ti hiu qu ca sn xut CT 1 3. Nghiờn cu cỏc phng phỏp sa cha, v hin i hoỏ cỏc h thng h tng k thut hin cú. Nhỡn chung, cỏc h thng h tng k thut trờn mt t cú th d dng c sa cha, bo dng, nõng cp v d dng ỏp dng cỏc thnh tu cụng ngh v k thut mi hn l cỏc h thng h tng k thut bờn di mt t. õy l vn c quan tõm. Trong cỏc s bỏo ca tp chớ Cỏc h thng h tng ca Hi Xõy dng M t nm 1995 ti nay, cú ti trờn 30% bi bỏo cp ti cỏc vn xỏc nh nng lc vn hnh, bn, tui th cũn li, chin lc sa cha v hin i hoỏ cỏc h thng h tng k thut. 4. Nghiờn cu cỏc vt liu mi v cụng ngh xõy dng mi cỏc h thng h tng k thut. õy l lnh vc m cỏc nh khoa hc v cỏc cụng ty xõy dng, sn xut vt liu xõy dng rt quan tõm. Trong nhng nm qua, mt s vt liu mi ó c sn xut nh cỏc ng ng siờu bn, cỏc vt liu khụng thm nc v.v Cỏc cụng ngh thi cụng mi nhm bo m khụng ảnh hưởng tới hoạt động bình thường của thành phố như các phương pháp mới thi công đường xe điện ngầm, cải tạo hệ thống đường ống v.v cũng phát triển mạnh. 5. Nghiên cứu phương pháp đánh giá các dự án hạ tầng kỹ thuật. Như đã nói ở trên, từ quan điểm của Nhà nước, hiệu quả kinh tế gián tiếp và hiệu quả xã hội của các công trình hạ tầng kỹ thuật quan trọng hơn nhiều so với hiệu quả kinh tế trực tiếp. Vì vậy, việc đánh giá các công trình hạ tầng kỹ thuật bằng các phương pháp phân tích Kinh tế - tài chính là hoàn toàn không thoả đáng. Năm 1992, nhà khoa học Ấn độ Amartya Sen cùng các đồng sự đã đề xuất một phương pháp đánh giá các dự án công cộng dựa trên Suất chiết khấu xã hội và Hàm mục đích tiêu thụ hỗn hợp. Chính phương pháp này đã góp phần mang lại cho ông giải Nobel nhưng phương pháp này vẫn chưa được áp dụng (thậm chí chưa được biết tới) ở các nước đang phát triển. Tuy nhiên, cần phải có những nghiên cứu thêm để có thể áp dụng có hiệu quả phương pháp này ở các nước đang phát triển 6. Nghiên cứu biện pháp huy động vốn để xây dựng các dự án hạ tầng kỹ thuật. Theo truyền thống, các hệ thống hạ tầng kỹ thuật được đầu tư và quản lý bởi Nhà nước. Sự ra đời của mô hình đầu tư BOT cho các công trình hạ tầng do Thủ tướng Thổ nhĩ kỳ Targut Ozal đưa ra năm 1980 cùng với mô hình tư nhân tham gia xây dựng các hệ thống hạ tầng (PFI – Private Finance Initiative) khi xây dựng đường hầm qua eo biển Măng-sơ năm 1987 đã làm thay đổi hẳn quan niệm cũ. Hiện nay, các mô hình này vẫn đang được quan tâm nghiên cứu và áp c nước đang phát triển. dụng ở cá KẾT LUẬN Bài báo đã trình bày vắn tắt về lịch sử cũng như xu hướng nghiên cứu và phát triển các hệ thống hạ tầng kỹ thuật hiện nay. Đó là xu hướng nghiên cứu và phát triển các hệ thống hạ tầng kỹ thuật một cách tổng thể chứ không chỉ cho các hệ thống hạ tầng riêng lẻ. TCT1 Việc nghiên cứu phát triển các hệ thống quản lý hạ tầng (Infrastructure Management Systems - IMS) là một thành tựu mới cho phép việc đầu tư vào các hệ thống hạ tầng hiệu quả hơn. Những thành tựu nghiên cứu khác, nhất là các mô hình BOT, PFI đã giúp các nước đang phát triển nhanh chóng xây dựng được các hệ thống hạ tầng kỹ thuật hiện đại đáp ứng các yêu cầu về phát triển kinh tế và xã hội, nâng cao mức sống của người dân. Việt nam đang gấp rút xây dựng các hệ thống hạ tầng phục vụ cho kế hoạch hiện đại hoá, công nghiệp hoá đất nước. Theo chúng tôi, Việt nam cần mạnh dạn đầu tư nghiên cứu, áp dụng nhanh chóng các công nghệ xây dựng mới và các phương pháp quản lý hiện đại vào việc xây dựng và phát triển các hệ thống hạ tầng kỹ thuật của mình. Ngoài ra, cần quan tâm quản lý sử dụng, bảo trì tốt các công trình hạ tầng hiện có hơn là chỉ quan tâm xây dựng các công trình hạ tầng mới. Tài liệu tham khảo [1]. F. Humphlick – Buit – Systems (Bài giảng) – MIT 1995. [2]. N.S. Grigg – Infrastructure Engineering and Management. Wiley Interscience 1998. [3]. W. Ronald Hudson etc., - Infrastructure: Design, Construction, Maitenance, Rehabilitaion, Renovation – McGraw-Hill 2004 [4]. Bui Trong Cau – Planning and Development of Infrastructure Systems (lectures) – The University of Tokyo 2006 ♦ . là hướng nghiên cứu và phát triển các hệ thống hạ tầng kỹ thuật một cách tổng thể chứ không chỉ nghiên cứu và phát triển các hệ thống hạ tầng kỹ thuật một cách riêng rẽ. Việc nghiên cứu và phát. là xu hướng nghiên cứu và phát triển các hệ thống hạ tầng kỹ thuật một cách tổng thể chứ không chỉ cho các hệ thống hạ tầng riêng lẻ. TCT1 Việc nghiên cứu phát triển các hệ thống quản lý hạ tầng. của Việt nam, các hệ thống cơ sở hạ tầng bao gồm hệ thống các công trình hạ tầng kỹ thuật và hệ thống các công trình hạ tầng xã hội. Hệ thống công trình hạ tầng kỹ thuật bao gồm hệ thống giao