Đánh giá tiềm năng của hệ thống thu gom nước mưa để sử dụng trong sinh hoạt và giảm ngập lụt trong điều kiện biến đổi khí hậu, phường đồng tâm, hà nội luận văn ths biến đổi khí hậu

Tuy nhiên, việc đánh giá tiềm năng của việc thu nước mưa từ mái nhà trong khu vực đô thị để sử dụng vào các mục đích khác nhau cũng như đóng góp vào giảm ngập úng do mưa lớn dường như vẫ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KHOA SAU ĐẠI HỌC

TRỊNH VÂN HƯƠNG

ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG CỦA HỆ THỐNG THU GOM NƯỚC MƯA

ĐỂ SỬ DỤNG TRONG SINH HOẠT VÀ GIẢM NGẬP LỤT TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU, PHƯỜNG ĐỒNG TÂM, HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Hà Nội – 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KHOA SAU ĐẠI HỌC

TRỊNH VÂN HƯƠNG

ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG CỦA HỆ THỐNG THU GOM NƯỚC MƯA

ĐỂ SỬ DỤNG TRONG SINH HOẠT VÀ GIẢM NGẬP LỤT TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU, PHƯỜNG ĐỒNG TÂM, HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Chuyên ngành: BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Mã số: chương trình đào tạo thí điểm

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Văn Cự

PGS TS Nguyễn Việt Anh

Hà Nội – 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu được thực hiện độc lập không sao chép Các số liệu được sử dụng trong nghiên cứu là số liệu chính thống Tất cả các tham khảo và thông tin từ các ấn phẩm, tạp chí khoa học và các trang thông tin điện tử đều có nguồn trích dẫn

Tác giả: Trịnh Vân Hương

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được hoàn thành tại Khoa sau đại học, Đại học Quốc gia Hà Nội Với sự hướng dẫn của PGS TS Phạm Văn Cự và PGS.TS Nguyễn Việt Anh, luận văn hoàn thành tháng 6/2015 Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất vì những chỉ dẫn và định hướng tận tình của các Thầy trong suốt thời gian hoàn thành khóa học này

Luận văn được định hướng và hỗ trợ rất nhiều bởi Khoa sau đại học, Đại học Quốc gia Hà Nội Tác giả rất cảm kích và xin chân thành cảm ơn các Thầy cô và cán

bộ Khoa

Luận văn đã được hỗ trợ về tài chính từ Chương trình học bổng thạc sỹ của Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Canada (IDRC) và Đại học Nairobi về “Innovative Application of ICTs in Addressing Water-Related Impacts of Climate Change”, hỗ trợ ứng dụng Hệ thống thông tin địa lý (GIS) bởi Trung tâm Quốc tế Nghiên cứu Đánh giá Biến đổi Toàn cầu (ICARGC) và hỗ trợ từ Dự án thí điểm hệ thống thu gom mưa (Rainwater Harvesting Project) của Viện Nghiên cứu Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường (IESE) Nếu không có sự hỗ trợ vô cùng ý nghĩa từ các tổ chức và cá nhân trên, tác giả khó có thể hoàn thành tốt nghiên cứu này Tác giả xin gửi lời cảm ơn trân trọng tới họ

Tác giả: Trịnh Vân Hương

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG 1

DANH MỤC CÁC HÌNH 2

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3

MỞ ĐẦU……….…… 4

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN 9

1.1 Tác động của BĐKH tới nguồn nước, lượng mưa 9

1.2 Tình trạng ngập lụt đô thị 12

1.3 Tình trạng ô nhiễm nguồn nước đô thị 13

1.4 Thu gom nước mưa từ mái nhà 16

1.5 Vấn đề của nghiên cứu 17

1.6 Giới thiệu khu vực nghiên cứu 18

CHƯƠNG II – PHƯƠNG PHÁP VÀ DỮ LIỆU 22

2.1 Đặt bài toán 22

2.2 Cách tiếp cận 22

2.3 Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu 23

2.3.1 Phương pháp luận 23

2.3.2 Phương pháp nghiên cứu 23

2.4 Nguồn dữ liệu 29

CHƯƠNG III – KẾT QUẢ, KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 34

3.1 Kết quả 34

3.1.1 Khả năng đáp ứng nhu cầu nước sinh hoạt của nước mưa thu gom 34

3.1.2 Khả năng giảm ngập úng cục bộ bằng cách thu gom và lưu trữ nước mưa 35

3.1.3 Chất lượng nước mưa thu gom cho nước sinh hoạt 44

3.1.4 Hiểu biết và thái độ của người dân về việc thu gom nước mưa để sử dụng và giảm ngập lụt đô thị 46

3.1.5 Phân tích các lợi ích của hệ thống thu gom mưa 46

3.1.6 Tính khả thi của hệ thống thu gom mưa 48

3.2 Kết luận và khuyến nghị 53

3.2.1 Kết luận 53

3.2.2 Khuyến nghị 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… ………63

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Mức thay đổi lượng mưa (%) so với thời kỳ 1980 - 1999 ở các vùng khí hậu 11

Bảng 2.1: Một số chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước mưa 28

Bảng 2.2: Lượng mưa Hà Nội năm 2013 29

Bảng 2.3: Diện tích mái phủ của các nhà chức năng chính ĐHXD 30

Bảng 2.4: Thống kê hiện trạng hệ thống thoát nước mưa tại ĐHXD 31

Bảng 3.1: Thành phần mặt phủ ĐHXD 35

Bảng 3.2: Lưu lượng nước thải sinh hoạt từ ĐHXD 36

Bảng 3.3: Diện tích phục vụ của tuyến cống thoát nước mưa 38

Bảng 3.4: Thể tích bể chứa nước mưa cần xây dựng tại ĐHXD để giải quyết việc ngập úng cục bộ do nước mưa 40

Bảng 3.5: Thể tích nước mưa lưu trữ nhờ các bể chứa tại các nhà chức năng 42

Bảng 3.6: Kêt quả phân tích chất lượng nước mưa thu từ mái ĐHXD, sau lắng 45' 44

Bảng 3.7: Chi phí lắp đặt hệ thống thu gom và lưu trữ nước mưa hộ gia đình 47

Bảng 3.8: Cấu trúc hệ thống thu gom nước mưa 48

Bảng 3.9: Người sử dụng tự bảo dưỡng hệ thống thu gom lưu trữ nước mưa 52

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Lượng mưa thời kỳ 2041-2050 10

Hình 1.2: Đặc trưng khí hậu Đồng bằng Bắc Bộ 19

Hình 1.3: Khuôn viên và mái nhà ĐHXD 20

Hình 1.4: Hệ thống cống thoát nước hiện hữu ĐHXD 21

Hình 2.1: Nguyên tắc thoát nước bề mặt bền vững 27

Hình 3.1: Bể chứa nước mưa làm chậm dòng chảy tập trung 43

Hình 3.2: Chất lượng nước mưa theo mùa (Nguồn: ĐHXD Hà Nội, 2012) 45

Hình 3.3: Tổng chất hữu cơ trong nước mưa qua các giai đoạn 45

Hình 3.4: Cấu trúc hệ thống thu gom xử lý nước mưa cho hộ gia đình - Loại 1 50

Hình 3.5: Cấu trúc hệ thống thu gom xử lý nước mưa cho hộ gia đình - Loại 2 51

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BTNTN-MT : Bộ Tài nguyên thiên nhiên và Môi trường

MỞ ĐẦU

Liên Hiệp Quốc (LHQ) ước tính rằng, trong số 1,4 tỉ km khối nước trên Trái đất, chỉ có 200.000 km khối nước ngọt Cứ sáu người thì có hơn một người sống trong tình trạng thiếu nước sạch [36] Như vậy có khoảng 1,1 tỷ người trên thế giới và đang sống ở các nước đang phát triển đang phải đối mặt với tình trạng khan hiếm nước

Quan điểm phổ biến về sự sụt giảm lượng nước ngọt có sẵn là do biến đổi khí hậu Biến đổi khí hậu mà chủ yếu là sự ấm lên toàn cầu khiến sự tăng bốc hơi nước dường như gây giảm lưu lượng dòng chảy của sông, hồ và ao bị thu hẹp ở các vùng khí hậu nóng Thêm vào đó, tác động từ các hoạt động khai thác của con người khiến tầng nước ngầm bị cạn kiệt và không được bù đắp kịp Mặc dù tổng nguồn nước ngọt trên Trái đất rất phong phú, nhưng ở rất nhiều nơi nước ngọt đã bị ô nhiễm, bị xâm nhập mặn, không phù hợp hoặc không có sẵn để uống, phục vụ sản xuất công nghiệp

và nông nghiệp Ngân hàng Thế giới cho biết thêm rằng sự thay đổi khí hậu có thể làm thay đổi sâu sắc về nguồn nước và sử dụng nước trong tương lai, do đó làm tăng mức

độ căng thẳng và mất an ninh về nước, cả ở quy mô toàn cầu và trong các lĩnh vực phụ

tăng năng suất để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về lương thực, trong khi ngành công nghiệp và các thành phố tìm cách để sử dụng nước hiệu quả hơn [20]

Tại Việt Nam, mức độ ô nhiễm và khan hiếm nguồn nước đang trong tình trạng báo động Mặc dù Việt Nam từng được coi là quốc gia có nguồn tài nguyên nước dồi dào với hệ thống sông ngòi chằng chịt, thì giờ chính phủ nước ta đã phải chính thức công bố tình trạng khan hiếm nước sạch Nguồn dự trữ nước sạch chỉ có thể cung cấp 4000m3/năm/người, so với mức trung bình trên thế giới 7000m3/năm/người Những

hệ lụy về thiếu nước sạch đang ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống người dân Khoảng 20% dân cư tại Việt Nam chưa được tiếp cận nguồn nước sạch Theo thống kê của Viện Y học lao động và Vệ sinh môi trường, hiện có khoảng 17,2 triệu người Việt Nam (tương đương 21,5% dân số) đang sử dụng nguồn nước sinh hoạt từ giếng khoan, chưa được kiểm nghiệm hay qua xử lý Theo thống kê của Bộ Y tế và Bộ Tài nguyên – Môi trường, trung bình mỗi năm Việt Nam có khoảng 9.000 người tử vong vì nguồn nước và điều kiện vệ sinh kém Hàng năm, có gần 200.000 người mắc bệnh ung thư mới phát hiện, mà một trong những nguyên nhân chính bắt nguồn từ ô nhiễm môi

trường nước 30% người dân chưa nhận thức được tầm quan trọng của nước sạch Thực trạng khan hiếm nước sạch cũng như ý thức bảo vệ nguồn tài nguyên nước của người dân Việt Nam chưa cao Theo đánh giá của Tổng cục Môi trường, mỗi ngày cả nước khai thác hàng triệu m³ nước ngầm cung cấp cho hơn 300 nhà máy nước khai thác thành nước sinh hoạt Nhưng, đáng lo ngại là nguồn nước ngầm đang đối mặt với vấn đề ô nhiễm, từ việc bị xâm nhập mặn trên diện rộng, ô nhiễm vi sinh, cho tới ô nhiễm kim loại nặng nghiêm trọng do việc khai thác tràn lan, thiếu quy hoạch và không có kế hoạch bảo vệ nguồn nước Hầu hết đô thị lớn đều bị ô nhiễm nước ngầm

do tốc độ đô thị hóa, đặc biệt là ở Hà Nội, TPHCM Ngoài ra, tại khu vực đồng bằng Bắc bộ và ĐBSCL, nguồn nước bị ô nhiễm asen cũng chiếm rất lớn, khoảng 21% dân

số đang sử dụng nguồn nước nhiễm chất này Trước thực trạng nguồn nước đáng lo ngại trên thì việc bảo vệ nguồn nước là việc làm cần thiết và quan trọng hơn bao giờ hết

Lũ lụt xảy ra thường xuyên hơn đe dọa cuộc sống và sinh mạng của con người khắp nơi trên Thế giới Lịch sử loài người đã chứng kiến nhiều mất mát lớn do lũ lụt gây ra Điển hình, trận lụt năm 1931 gây chết hàng triệu người, năm 1975 chết hơn 200,000 người Còn ở Việt nam, trận lụt năm 1971 xảy ra ở Hà Nội và đồng bằng

miền Nam làm chết hàng trăm người, gây thiệt hại cho Hà Nội lên đến 3.000 tỉ đồng2

Tại Hà Nội, cùng với tốc độ đô thị hóa diễn ra nhanh chóng, cường độ mưa lớn

đã gây ra hiện tượng ngập lụt ngày càng gia tăng, phá hủy nhà ở, các công trình, các kết cấu hạ tầng kỹ thuật đô thị, gây tổn hại sức khỏe, ảnh hưởng tới cuộc sống của người dân, gây ách tắc giao thông trầm trọng và cản trở quá trình phát triển kinh tế - xã hội của thành phố

Quá trình đô thị hóa tăng nhanh trong những năm gần đây đồng nghĩa với việc nhiều ao hồ, kênh thoát nước bị lấp, nhiều diện tích bề mặt (mặt đường, vỉa hè, khu đất trống) thấm hút nước mưa bị bê tông hóa Trong khi đó năng lực tiêu thoát nước của

hệ thống cống thoát nước khu vực đô thị không đáp ứng kịp khi lượng nước mưa quá

1

https://en.wikipedia.org/wiki/Flood

2 https://vi.wikipedia.org/wiki/L%C5%A9_l%E1%BB%A5t_Vi%E1%BB%87t_Nam_2008

lớn Hậu quả nước mưa chảy tràn lên đường gây ra hiện tượng ngập cục bộ, các khu vực trũng ngập úng càng nghiêm trọng Có khi kéo dài tình trạng ngập trong nước từ một tuần tới hơn chục ngày Theo thống kê của thành phố Hà Nội, hiện tại có 22 điểm ngập úng vào mùa mưa bão, như khu phố Tân Mai, Thái Hà, Thái Thịnh, Phạm Hùng

và ngay cả khu vực hồ Hoàn Kiếm cũng gánh chịu tình trạng ngập trong nước vào mùa mưa hàng năm

Đô thị hóa nhanh thách thức nghiêm trọng việc quản lý cơ sở hạ tầng phòng chống ngập úng hiện hữu Nhưng đồng thời đó cũng tạo ra cơ hội để phát triển các khu

công trình quản lý úng ngập khu vực đô thị thường được lựa chọn là hệ thống đập, kênh thoát nước, các biện pháp bổ sung hoặc thay thế tự nhiên hơn và bền vững như đất ngập nước và vùng đệm tự nhiên Tính hiệu quả của các biện pháp này đã được chứng thực từ thành công của đập sông Thames, đê chắn biển của Hà Lan và các hệ thống sông Nhật [27] Các biện pháp kết cấu thường có chi phí đầu tư cao và có thể làm nghiêm trọng thêm các tác động tiêu cực nếu biện pháp thất bại, một trong những dẫn chứng bi thảm là trận sóng thần tại Nhật Bản năm 2011

Dưới tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu trong những thập kỷ gần đây, tình trạng khan hiếm nước và ngập lụt dường như ngày càng nghiêm trọng hơn Thực tế đòi cần có những biện pháp thích ứng mang tính đa ngành tích hợp biến đổi khí hậu Những biện pháp thích ứng được nghiên cứu trong những năm gần đây bao gồm các biện pháp công trình, phi công trình, khí hậu và phi khí hậu Một trong những biện pháp quan trọng đó đã được đề cập tới trong những nghiên cứu gần đây được thực

vào bể chứa để sử dụng và góp phần giảm bớt ngập lụt khu vực đô thị

Việc thu gom nước mưa đã được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới để cung cấp một nguồn nước an toàn cho cả vùng nông thôn và thành thị, nhất là các khu vực khan hiếm nước Việc thu gom nước mưa cũng được coi là biện pháp kiểm soát lũ lụt ở một

số khu vực chịu ảnh hưởng bởi biến đổi khí hậu như Hàn Quốc, hoặc các hệ thống kết hợp hệ thống thoát nước như ở Đức Ngay ở các thành phố phát triển, biện pháp thu gom mưa cũng được áp dụng như một giải pháp để giảm áp lực cho hệ thống cấp nước hiện tại, đồng thời giảm bớt các tác động của phát triển đô thị đối với môi trường tự

nhiên, và tăng khả năng phục hồi với các tác động của biến đổi khí hậu Hệ thống thu gom và lưu trữ nước mưa hiện nay thường được thực hiện dưới sự quản lý tích hợp nước đô thị (Integrated Urban Water Management - IUWM) và thiết kế đô thị nhạy cảm nước (Water Sensitive Urban Design - WSUD), trong đó có một cái nhìn toàn diện về chu trình nước đô thị

Nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống thu gom và lữu trữ nước mưa đã được thực hiện trên Thế giới và ở Việt Nam Tại Việt Nam, những nghiên cứu nổi bật gần đây tập trung vào các vấn đề như chất lượng nước mưa, các rào cản trong việc thu gom nước mưa cũng như mối quan hệ giữa diện tích sử dụng, diện tích có khả năng thu trữ nước mưa từ các hộ gia đình khu vực ngoại thành [11] [15] [3] Các công trình nghiên cứu xem xét các vấn đề liên quan tới việc sử dụng nước mưa, chất lượng nước mưa và thu nước mưa ở khu vực ngoại thành Hà Nội Tuy nhiên, việc đánh giá tiềm năng của việc thu nước mưa từ mái nhà trong khu vực đô thị để sử dụng vào các mục đích khác nhau cũng như đóng góp vào giảm ngập úng do mưa lớn dường như vẫn còn bỏ ngỏ

Vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài luận văn “Đánh giá tiềm năng của hệ thống thu gom nước mưa để sử dụng trong sinh hoạt và giảm ngập lụt trong điều kiện biến đổi khí hậu, phường Đồng Tâm, Hà Nội” nhằm làm rõ một số câu hỏi như:

1) Có thể thu được bao nhiêu nước mưa (m3) từ mái nhà, đáp ứng được bao nhiêu

% nhu cầu sử dụng nước sinh hoạt của các dân cư ở các tòa nhà khu vực nghiên cứu?

2) Có thể giảm được bao nhiêu ngập lụt bằng cách xây bể thu gom nước mưa?

khu vực đô thị?

Luận văn có ba mục tiêu chính: 1) Tính toán và phân tích tiềm năng thu nước mưa từ mái nhà; 2) Tính toán khối lượng giảm ngập úng của mô hình thu nước mưa từ mái nhà; 3) Đánh giá được lợi ích của việc thu nước mưa từ mái nhà trong khu vực đô thị Để đạt được các mục tiêu của Luận văn, tác giả đã tiến hành các công việc chính như: 1) Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước về vấn đề liên quan; 2) Xây dựng cơ sở dữ liệu về đặc trưng bề mặt, các nguồn số liệu nước mưa trong khu vực nghiên cứu; 3) Khảo sát và tính toán khối lượng nước mưa có thể thu được từ mái nhà;

4) Đánh giá chất lượng nước mưa theo hệ tiêu chí chuẩn; 5) Xây dựng bài toán để tính toán khối lượng úng ngập giảm được bằng cách thu nước mưa

Luận văn được cấu trúc thành ba chương chính: Chương I tổng quan tình hình nghiên cứu về vấn đề liên quan trên Thế giới và trong nước, giới thiệu đặc điểm về lượng mưa của khu vực nghiên cứu, đặc điểm bề mặt và hệ thống thoát nước khu vực

đô thị, tình hình sử dụng nước mưa cũng như tình trạng ngập úng đô thị trong mùa mưa Chương II trình bày tuần tự logic bài toán, cách tiếp cận và phương pháp luận, một số phương pháp nghiên cứu chính và các nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu Chương III phân tích các kết quả chính và đưa ra các kết luận cũng như một số kiến nghị rút ra từ các phát hiện và kết quả của quá trình nghiên cứu

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN1.1 Tác động của BĐKH tới nguồn nước, lượng mưa

Tác động của Biến đổi khí hậu tới nguồn nước và lượng mưa ở các vùng khác nhau trên Thế giới

Các nghiên cứu gân đây đều chỉ ra rằng dưới tác động của biến đổi khí hậu các hiện tượng thời tiết khắc nghiệt ngày càng xuất hiện nhiều hơn: bão lớn, mưa lớn và lốc xoáy xảy ra thường xuyên hơn, thời gian và không gian mưa thay đổi [22], thời tiết nóng nực và hạn hán kéo dài hơn Sự xuất hiện của các hiện tượng khí hậu cực đoan trên tương ứng với các thời gian và không gian nhất định

Biến đổi khí hậu dẫn tới sự sụt giảm nguồn nước diễn ra trên phạm vi toàn cầu Theo dự báo của Liên Hợp Quốc, khí hậu và lưu thông của nước trên toàn thế giới trong thế kỷ 21 là vấn đề đáng lo ngại nhất và thảm khốc nhất: "Trái đất đang nóng dần lên, nhưng các dự báo hiện tượng ấm lên lớn hơn nhiều trong thế kỷ 21 sẽ tạo ra những thay đổi lớn về sự bốc hơi và lượng mưa, hệ quả dẫn đến chu kỳ thủy văn không thể đoán trước Nhiệt độ không khí tăng lên sẽ làm tăng sự bốc hơi từ các đại dương, tăng cường tuần hoàn nước Bay hơi nước từ đất sẽ nhanh hơn, do đó lượng mưa chảy ra sông, bổ cập các nguồn nước ngầm đều ít đi Hệ quả mà con người phải đối mặt là tình trạng thiếu nước ngọt Số người bị thiếu nước sinh hoạt gia tăng, trong

đó ở Châu Á số người có nguy cơ thiếu nước ngọt cho sinh hoạt rất cao (120 triệu đến 1.2 tỷ người) [26] Con người đang phải đối mặt với nguy cơ thiếu nước nghiêm trọng

Vì vậy rất cần thiết có những hành động bảo vệ và tận dụng những nguồn nước sẵn có một cách hiệu quả nhất vì không gì có thể đảm bảo rằng nguồn nước hiện tại sẽ không cạn kiệt trong tương lai

Khí hậu biến đổi cũng dẫn đến lượng mưa mới và các hiện tượng khí hậu cực

tăng mạnh ở nhiều khu vực, kể cả ở những nơi có tổng lượng mưa giảm, điều này cũng phù hợp khi khí hậu toàn cầu ấm lên khiến cho lượng nước bốc hơi tăng lên

khu vực ẩm ướt sẽ còn ẩm ướt hơn

Tác động của Biến đổi khí hậu tới mưa ở Việt Nam

Dưới tác động của Biến đổi khí hậu, lượng mưa năm, chế độ mưa và lượng mưa ngày đã và đang thay đổi trong những năm trở lại đây (bảng 1.1) Theo tính toán của các chuyên gia của Bộ Tài nguyên và Môi trường, lượng mưa năm ở các khu vực khí hậu phía Bắc tăng theo các Kịch bản phát thải (KBPT) như sau: vào cuối thế kỷ 21 (so với thời kỳ 1980 – 1999), lượng mưa năm tăng lên khoảng 5 % (KBPT thấp), 7 – 8 %

(KBPT trung bình), và 9 – 10 % (KBPT cao) Như vậy, tính đến năm 2100, lượng mưa năm được dự tính sẽ tăng từ 5% đến 10% tùy thuộc vào các kịch bản phát thải Dưới tác động của biến đổi khí hậu, diễn biến của các hiện tượng thời tiết, khí hậu cực đoan, trong đó có mưa lớn, dường như ngày càng phức tạp hơn, thể hiện ở

sự gia tăng về tần suất và cường độ Chính vì vậy, nghiên cứu biến đổi của hiện tượng mưa lớn là một trong những bài toán thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới, nhất là trong những năm gần đây [18][23]

Chế độ mưa cũng chịu tác động của trong điều kiện khí hậu thay đổi Đối với lượng mưa trung bình, so với lượng mưa trung bình thời kỳ 1980 – 1999, lượng mưa các vùng tăng lên 0,3 – 1,6 % vào năm 2020; 0,7 – 4,1 % vào năm 2050 và 1,4 – 7,9 % vào năm 2100 Theo kịch bản phát thải trung bình, vào giữa đến cuối thế kỷ 21, phân

bố lượng mưa năm trên cả nước không có nhiều thay đổi (Hình 1.1), các trung tâm mưa lớn và các trung tâm mưa bé vẫn tồn tại trên các vùng khí hậu của Bắc Bộ, Trung

Bộ cũng như Nam Bộ

Hình 1.1: Lƣợng mƣa thời kỳ 2041-2050 [10]

Xu thế và mức độ thay đổi lượng mưa vào các mùa khác nhau trên các vùng khí hậu không hoàn toàn như nhau, phân bố lượng mưa các mùa trong nửa cuối thế kỷ 21 có một số đặc điểm khác với hiện tại

Tác động của Biến đổi khí hậu còn thể hiện

ở sự thay đổi lượng mưa ngày lớn nhất 9/19 trạm tiêu biểu có hệ số tương quan âm giữa R và Rx với trị số tuyệt đối phổ biến khoảng 0,1 – 0,4 Tốc độ xu thế (b0) của Rx phổ biến khoảng 0,3 – 3 mm/năm, tương tự tốc độ tăng hay giảm của lượng mưa

Bảng 1.1: Mức thay đổi lƣợng mƣa (%) so với thời kỳ 1980 - 1999 ở các vùng khí hậu

Nguồn: KB BĐKH và NBD, BTN&MT, 2009

Xoáy thuận nhiệt đới (XTNĐ) hoạt động trên Biển Đông và cả XTNĐ ảnh hưởng trực tiếp hoặc đổ bộ vào đoạn bờ biển Bắc Bộ trong các thập kỷ sắp tới nhiều lên về tần số và mạnh thêm về cường độ và thất thường hơn về mùa so với hiện nay Các kỷ lục về lượng mưa ngày, lượng mưa tháng và lượng mưa năm đều cao hơn Mưa

có cường độ lớn và tập trung làm tăng nguy cơ ngập lụt ở nhiều khu vực, nhất là các khu vực trũng và có tốc độ đô thị hóa cao Mưa có cường độ lớn và tập trung làm tăng nguy cơ ngập lụt ở nhiều khu vực, nhất là các khu vực trũng và có tốc độ đô thị hóa cao [10]

Sự nóng lên toàn cầu sẽ làm tăng cường độ và tần số của các trận mưa cực đoan, lý do gây ra ngập lụt đô thị Mưa lớn cực đoan, cùng với phát triển đô thị hóa và dân số đô thị ngày càng gia tăng, có thể dẫn đến tăng đáng kể nguy cơ ngập lụt ở các

đô thị có lượng mưa cao [33]

Với loại hình thiên tai lũ lụt thì có lẽ ngập lụt ở đô thị là xảy ra thường xuyên và gây thiệt hại nặng nề hơn cả Các yếu tố gây ra lũ lụt bao gồm: Khí tượng (mưa, bão, tuyết tan…), thủy văn (độ ẩm, khả năng thấm của đất, hình thái dòng dẫn…) và nhân

tố do con người (thay đổi sử dụng đất, đô thị hóa, phá rừng…) Đối với đô thị, mật độ công trình xây dựng dầy đặc, gây cản trở quá trình thấm tự nhiên làm tăng dòng chảy mặt lớn hơn so với lưu vực tự nhiên Hơn nữa, đô thị hóa nhanh, bê tông hóa bề mặt tăng, các công trình xây dựng nhiều hơn làm giảm thời gian tập trung nước – thời gian

từ đỉnh mưa tới đỉnh lũ của một lưu vực làm thiên tai lũ lụt xảy ra nhanh hơn, khó ứng phó hơn [1]

Vào tháng 11/2008: Trận mưa lớn kỷ lục khoảng 100 năm gần đây đã diễn

ra và kéo dài trong nhiều ngày ở miền Bắc, đặc biệt là Hà Nội gây ra trận lụt lịch sử, thiệt hại 3.000 tỷ đồng

Cuối năm 2013: Triều cường tại thành phố Hồ Chí Minh vượt mức báo động III gây úng ngập nghiêm trọng ở các vùng ven sông, kênh rạch và vùng trũng Ngày 20/10/2013, đỉnh triểu là 1,68m - đạt mức lịch sử trong 61 năm qua Bài học có thể rút

ra từ những trận lụt gần đây là: (1) Công tác quy hoạch của các đô thị chưa tốt, chưa lồng ghép biến đổi khí hậu trong quy hoạch nên nguy cơ bị tác động bởi thiên tai, đặc biệt là ngập lụt do mưa cực đoan và nước biển dâng; (2) Để phòng chống ngập lụt đô thị hiệu quả thì vấn đề quy hoạch tổng thể và đồng bộ, lồng ghép giảm nhẹ rủi ro thiên tai và thích ứng biến đổi khí hậu cần phải được xem xét trước tiên Thực tế các giải pháp riêng lẻ đã không mang lại hiệu quả [8]

Các nguyên nhân gây úng ngập khu vực đô thị được cho là gồm những nguyên nhân chính như: (i) Hệ thống thoát nước chưa được xây dựng, bị hư hại xuống cấp, không được cải tạo; (ii) Thiết kế ban đầu không phù hợp; (iii) Hệ số dòng chảy

Cống thoát nước bị tắc, bồi lắng; (vi) Sự cố tại trạm bơm; và (vii) Dưới tác động của biến đổi khí hậu, cường độ mưa lớn thường xuyên hơn, mực nước biển dâng, triều cường (nhất là các đô thị ven biển)

Tại khu vực đô thị Hà Nội, bên cạnh các nguyên nhân thường thấy như trên, hiện tượng úng ngập ở khu vực này còn có các nguyên nhân khác, chẳng hạn như: hệ thống thoát nước không đủ công suất tiêu thoát nước trong mùa mưa, thoát nước thải

và nước mưa chung nhau cùng một hệ thống cống thoát; cốt san nền không được kiểm soát, nên nước bề mặt không chảy đúng hướng (từ cao xuống thấp) mà chảy lung tung

và úng ngập cục bộ Khu vực nghiên cứ có địa hình khá bằng phẳng và không có hồ

ao hay các dung tích chứa nước tự nhiên Việc hầu hết bề mặt phủ đã bị bê tông hóa ngăn cản việc thoát nước tự nhiên tại chỗ càng làm trầm trọng thêm tình trạng úng ngập trong khu vực này

1.3 Tình trạng ô nhiễm nguồn nước đô thị

Tình trạng ô nhiễm nước ngầm

Đối với những đô thị lớn như Hà Nội, với tốc độ đô thị hóa mạnh mẽ, yêu cầu tiêu thụ nước cấp ngày càng tăng Hệ thống cấp nước Hà Nội hiện cung cấp cho thành phố, trong khu vực nội thành Hà Nội khoảng trên 600.000 m3/ng.đêm, trong đó từ nguồn nước ngầm mạch sâu gần 500.000 m3/ng.đêm, được khai thác từ 14 bãi giếng và làm sạch tại 12 trạm xử lý chính quanh khu vực Hà Nội [7] Nước ngầm Hà Nội thường có chứa sắt với hàm lượng từ 1 đến 25 mg/L Những năm gần đây

càng cao, dao động từ dạng vết đến 30 mg-N/L tùy theo từng khu vực, trong đó vùng

bị ô nhiễm mạnh nhất nằm ở phía Nam thành phố (bao gồm trạm Tương Mai, Pháp Vân, Hạ Đình) với nồng độ ammoni trong nước phổ biến vào khoảng từ 16 đến 28 mg-N/L [6] Kết quả phân tích nguồn nước ngầm được dự kiến khai thác cho các trạm cấp nước nông thôn ở ở khu vực Thường Tín, Phú Xuyên cũng cho thấy hàm

lượng ammoni ở mức cao Ammoni trong nước ngầm tồn tại ở dạng NH4+ và NH3 Với pH của nước ngầm Hà Nội dao động trong khoảng từ 6 đến 8, ammonia tồn tại chủ yếu ở dạng NH4+ (chiếm 96-100%) Ammoni trong nước ngầm có thể bị ô nhiễm từ các nguồn chứa ammoni với nồng độ cao như bãi rác thải, cống, kênh dẫn nước thải, đất nông nghiệp có sử dụng phân bón Ammoni có mặt trong nước ngầm với nồng độ cao cũng có thể do sự phân hủy sinh học tự nhiên của đất bùn, có phổ biến khu vực phía Nam Hà Nội [4] Ammoni ở trong nước có thể bị ôxy hóa thành NO2- và NO3-, gây ra nguy cơ tiềm ẩn tới sức khỏe con người

Các tầng chứa nước n gầ m vùng Thành phố Hà Nội có hàm luợng Asen (As) lớn vượt ngưỡng cho phép cũng đã được phát hiện trong các tầng chứa nước này

[19, 33] Asen có hàm lượng lớn nhiễm bẩn trong nước dưới đất sẽ ảnh hưởng đến sức khỏe con người ở các mức độ khác nhau khi hàm lượng của nó vượt quá giới hạn cho phép 10 g/l [38] As tồn tại trong nước có mối quan hệ với nhiều yếu tố liên quan khác bao gồm cả các thông số hoá lý như DO, pH, Eh đến các yếu tố hoá học nhạy cảm với điều kiện môi trường như DOC, CH4, H2S, NH4+, Fe3+, Fe2+, HCO3- Dựa vào các mối quan hệ đó có thể nhận biết được trạng thái tồn tại của

As, nguồn gốc hình thành, cơ chế giải phóng và dịch chuyển của As trong môi trường nước dưới đất Trong nghiên cứu này, trên cơ sở các kết quả phân tích thành phần hóa học và các chỉ tiêu hóa lý của tầng chức nước mối quan hệ của As và NH4+ với một số thành phần hóa học đa lượng, nhạy cảm với điều kiện địa hoá môi trường

đã được thiết lập để làm cơ sở kiểm chứng và đánh giá quá trình di chuyển của As và NH4+ trong nước

DOC trong nước dưới đất khu vực nghiên cứu ngoài nguồn gốc được tạo thành

từ sự phân hủy sinh học các vật liệu hữu cơ NOM trong trầm tích, mà nó còn được hình thành từ hệ thống phân hữu cơ từ sinh hoạt của con người (septic) và động vật, từ

hệ thống nước thải của thành phố Hà Nội có chứa nhiều hợp chất hữu cơ và có thể từ

vực nội thành cần giảm lưu lượng khai thác hoặc dừng hoạt động, đưa vào dự phòng

một số nhà máy nước bị suy thoái Giảm khai thác nước ngầm nhưng vẫn cần đảm bảo đáp ứng nhu cầu sử dụng có là một bài toán mà lời giải đáp có thể tìm thấy bằng khai thác nguồn nước mưa thay thế

Tình trạng ô nhiễm nước mặt

Tình trạng ô nhiễm nước mặt ảnh hưởng tới nguồn nước cấp cho thành phố Hà Nội Nước cấp cho thành phố Hà Nội khai thác nguồn nước mặt từ Sông Hồng, sông Đuống, sông Cà Lồ, sông Nhuệ, sông Đáy và sông Đà Tuy nhiên, ô nhiễm nước mặt đang trở nên ngày càng báo động Ô nhiễm nguồn nước xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau, có 4 nguồn thải chính tác động đến môi trường nước mặt: nước thải nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt và y tế Với tổng số dân khu vực miền Bắc lên đến gần 31,3 triệu người (chiếm 35,6% dân số toàn quốc) Trong đó, dân số đô thị lên đến gần 8,1 triệu người [13] Nước thải sinh hoạt chiếm trên 30% tổng lượng thải trực tiếp ra các sông hồ, hay kênh rạch dẫn ra sông Số lượng khu công nghiệp có

hệ thống xử lý nước thải vẫn đang ở mức trung bình (50-60%), hơn nữa 50% trong

số đó vẫn chưa hoạt động hiệu quả Nước thải từ sản xuất nông nghiệp và các làng nghề cũng thải ra sông góp phần tăng thêm nồng độ ô nhiễm Nước thải y tế được xem

là nguồn thải độc hại nếu không được xử lý trước khi thải ra môi trường Hầu hết nước thải sinh hoạt của các thành phố đều chưa được xử lý, trực tiếp đổ vào các kênh mương

và chảy thẳng ra sông gây ra ô nhiễm môi trường nước mặt Phần lớn các đô thị đều chưa có nhà máy xử lý nước thải tập trung, hoặc đã xây dựng nhưng chưa đi vào hoạt động, hoặc hoạt động không có hiệu quả

Như vậy, việc khai thác nước mặt để cấp nước sinh hoạt cho đô thị cũng gặp phải khó khăn do nguồn nước bị ô nhiễm Vấn đề đặt ra là cần có công nghệ xử lý hiện đại và quy trình giám sát chặt chẽ nhằm đảm bảo cấp nước an toàn cho các hoạt động sản xuất và sinh hoạt của người dân đô thị

Trước thực trạng nguồn nước ngầm và nước mặt đang suy giảm nghiêm trọng

về lưu lượng và chất lượng, để đảm bảo an ninh cấp nước cho đô thị Hà Nội, rất cần khai thác các nguồn nước khác nhau, mà nước mưa là một nguồn nước vô cùng quan trọng

1.4 Thu gom nước mưa từ mái nhà

Nước mưa đã được thu gom ở nhiều nơi trên Thế giới cách đây hàng nghìn năm

khuyến nghị mở rộng sử dụng nước mưa phục vụ cho các mục đích khác nhau, đáp ứng mục tiêu Thiên Niên Kỷ (MDGs)

Trên Thế giới và Việt Nam, đã có một số nghiên cứu về vấn đề thu mưa để sử dụng như một nguồn nước sạch phục vụ ăn uống và các mục đích sinh hoạt khác khi

trung vào đánh giá một công trình xanh tiết kiệm nước bằng cách thu gom và sử dụng nước mưa, khả năng chứa của bể và chi phí Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nào làm sáng tỏ bài toán giảm ngập lụt khu vực đô thị bằng cách thu gom mưa Chương II của luận văn này, bên cạnh việc đánh giá tiềm năng đáp ứng nhu cầu nước sinh hoạt của việc thu gom mưa, chúng tôi sẽ tính toán khả năng giảm ngập lụt do mưa lớn bằng cách thu nước mưa từ mái của các tòa nhà trong khuôn viên của Trường Đại học Xây dựng nằm tại phường Đồng Tâm, quận Hai Bà Trưng, thành phố Hà Nội

Không chỉ có thể sử dụng cho các mục đích dội rửa, tưới cây trong hộ gia đình, nước mưa đã từ lâu được coi là một nguồn nước đáng tin cậy phục vụ ăn uống của con người Phục vụ cho uống và nấu ăn, nước mưa là một nguồn chính (23%) cùng với giếng nước (26%), và nước từ sông, hồ, ao (25%) [12] Với tốc độ tăng trưởng kinh tế nhanh và bền vững của Việt Nam từ những năm 1990, nhu cầu về nguồn nước và các dịch vụ dự kiến sẽ tăng Thu nước mưa ngày càng được ủng hộ như là một phương pháp thay thế hoặc bổ sung cho cấp nước hộ gia đình ở các vùng nhiệt đới [35]

Con người thu thập và lưu trữ nước mưa từ mái nhà, bề mặt đất hoặc các lưu vực đá sử dụng kỹ thuật đơn giản như ao hồ tự nhiên và / hoặc nhân tạo và hồ chứa Nước mưa được sử dụng với nhiều mục đích như ăn uống, nấu ăn, vệ sinh, vv, cũng như sử dụng hiệu quả trong nông nghiệp Nước mưa được thu gom và lưu trữ theo ba hình thức chủ yếu: (1) thu gom và lưu trữ tại chỗ trong đất; (2) thu gom mưa, lưu trữ nước mưa và vận chuyển tới nơi sử dụng, cách này thường phục vụ trong nông nghiệp; (3) thu gom và lưu trữ nước mưa tại hộ gia đình từ mái nhà và lưu trữ trong bể chứa

[24] Trong phạm vi luận văn này, các tác giả tập trung phân tích hình thức (3): thu gom mưa nước mưa từ mái nhà và lưu trữ trong bể chứa ở quy mô hộ gia đình

Ở quy mô hộ gia đình, nước mưa có thể thu gom từ mái nhà, sân và chứa trong

bể chứa, lu, bình inox hoặc túi nhựa Các kích thước bể chứa phụ thuộc vào yêu cầu Hình dạng bình thường là có hình chữ nhật, hình vuông hoặc hình trụ Để lưu trữ các

bể chứa nước nhỏ làm bằng gạch, ổn định đất, đất nện, tấm nhựa và lọ vữa là phổ biến Đối với số lượng lớn chứa nước mưa có thể được làm bằng gốm, ferrocement, hoặc polyethylene Nước mưa có thể chứa trong bể polyethylene nhỏ gọn nhưng có trữ lượng lớn [29]

Mặc dù thu gom nước mưa là biện pháp hữu ích cho những vùng khan hiếm nước nhưng việc thực hiện còn một số trở ngại Khó khăn thường gặp liên quan tới công nghệ hoặc chi phí cao Đôi khi khó khăn là do thiếu sự tham gia của người sử dụng Nguyên nhân chính là vì họ chưa chấp nhận, chưa được khuyến khích đầy đủ Thông tin khí tượng thủy văn chưa đủ để lập kế hoạch, thiết kế và thực hiện hệ thống Ngoài ra, các nguyên nhân khác có thể là các vấn đề liên quan tới yếu tố kinh tế và xã hội như quyền sử dụng đất và tình trạng thất nghiệp Thường kiến thức của người dân

về hệ thống thu gom và sử dụng nước mưa là không đầy đủ và lạc hậu không cập nhật được lợi ích của tài nguyên nước mưa Việc thiếu chiến lược quốc gia dài hạn cũng là một cản trở lớn Vì vậy, cần thực hiện nhiều động thái chuyên môn và chính sách để thúc đẩy việc áp dụng hệ thống ở nước đang phát triển Các mô hình dựa trên Hệ thống thông tin địa lý (GIS), trong đó kết hợp dữ liệu vật lý, sinh thái và kinh tế-xã hội, có thể góp phần vào việc đánh giá sự phù hợp của một khu vực nào đó áp dụng hệ thống thu gom mưa [30][32][29]

1.5 Vấn đề của nghiên cứu

Trong các phần trước, chúng tôi hồi cứu và tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ thống thu gom nước mưa Hầu hết các nghiên cứu đều mới tập trung vào khả năng thu gom mưa khu vực nông thôn, phục vụ cho các mục đích ăn uống và sinh hoạt khi các nguồn nước khác bị khan hiếm hoặc bị ô nhiễm nên nước cấp trở lên căng thẳng Nước mưa được thu gom và xử lý để đưa vào sử dụng tại chỗ, tại hộ gia đình, để tưới tiêu nông nghiệp hoặc gom nước mưa vào các khu đất trũng cho ngấm dần xuống đất Biện pháp thu nước mưa phục vụ nước sinh hoạt là biện pháp truyền thống đã có từ lâu đời, nay chỉ cần kế thừa và cải tiến về công nghệ và cách thức tăng hiệu quả Nước mưa được bảo quản trong bể có thể phục vụ cho các mục đích sinh hoạt của hộ gia đình như xả bồn cầu, tưới cây, rửa nhà cửa, rửa xe, v.v

Không chỉ có ý nghĩa như một nguồn nước sinh hoạt bổ sung, thu gom mưa và lưu trữ trong bể chứa của các hộ gia đình còn phần nào giúp giảm tình trạng ngập lụt ngày càng xảy ra nghiêm trọng ở khu vực dân cư đông đúc mà không cần phải chi tốn nhiều ngân sách nhà nước cho việc cải tạo hệ thống cống thoát nước đô thị Quá trình

đô thị hoá đã gây những tác động xấu đến quá trình thoát nước tự nhiên: dòng chảy tự nhiên bị thay đổi, quá trình lưu giữ tự nhiên dòng chảy bằng các thảm thực vật và đất

bị mất đi, và thay vào đó là những bề mặt phủ không thấm nước như mái nhà, bê tông, đường nhựa, làm tăng lưu lượng dòng chảy bề mặt Thời gian tập trung nước và đạt đỉnh bị rút ngắn đi nhiều Các hệ thống thoát nước truyền thống thường được thiết kế

để vận chuyển nước mưa ra khỏi nơi phát sinh càng nhanh càng tốt Tuy nhiên, hệ thống thoát nước truyền thống còn nhiều bất cập: dẫn dòng chảy bề mặt đi xa và thải làm mất khả năng bổ cập tại chỗ cho các tầng nước ngầm quí giá Cách tiếp cận của thoát nước mưa bền vững (SUDS) là thoát chậm, không phải thoát nhanh, để tránh lượng mưa tập trung lớn trong thời gian ngắn SUDS sử dụng các hồ điều hòa trên diện tích thu gom và truyền dẫn nước mưa để lưu giữ nước là một cách làm phổ biến để tránh lượng mưa tập trung lớn trong thời gian ngắn gây ra tràn cống, ngập đường và nhà cửa

1.6 Giới thiệu khu vực nghiên cứu

Nằm ở trung tâm vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng, Hà Nội có vị trí từ 20°53' đến 21°23' vĩ độ Bắc và 105°44' đến 106°02' kinh độ Đông Hà Nội cách thành phố cảng Hải Phòng 120 km Sau đợt mở rộng địa giới hành chính vào tháng 8 năm

2008, thành phố có diện tích 3.324,92 km2, nằm ở cả hai bên bờ sông Hồng, nhưng tập trung chủ yếu bên hữu ngạn

Địa hình Hà Nội thấp dần theo hướng từ Bắc xuống Nam và từ Tây sang Đông với độ cao trung bình từ 5 đến 20 mét so với mực nước biển Hà Nội có hai loại địa hình chủ yếu: đồng bằng phù sa và đồi núi Tuy nhiên, khu vực nội thành Hà Nội nằm

có địa hình tương đối bằng phẳng và trũng Do việc khai thác nước ngầm quá nhiều, địa hình Hà Nội đang bị sụt lún với tốc độ trung bình 1cm/năm

Hà Nội có đặc trưng của vùng khí hậu Đồng bằng Bắc Bộ nóng ẩm và mưa nhiều Lượng mưa dồi dào, trung bình 1680mm/năm, mùa mưa tập trung vào các tháng 5-9, mưa 114 ngày trong năm Trong giai đoạn này thường xuyên có mưa rào và mưa lớn, chiếm tới 80% tổng lượng mưa của cả năm Thường ít mưa trong giai đoạn

từ tháng 10-12 (đây gọi là mùa khô), mưa nhỏ và mưa phùn từ tháng 1-4 hằng năm3 (hình 1.2).

Hình 1.2: Đặc trƣng khí hậu Đồng bằng Bắc Bộ

So sánh với một số thành phố thủ đô các nước như Paris, Seoul và Tokyo, nơi

hệ thống thu gom và lưu trữ nước mưa quy mô hộ gia đình đã được chú trọng trong nhiều năm qua, có thể thấy tổng lượng mưa hằng năm của Hà Nội (1680mm) cao hơn

so với Paris (650mm) 4, Seoul (1450mm) 5 và Tokyo (1292mm) 6

Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng lượng mưa ngày cực đại tăng mạnh trong thời kỳ những năm gần đây Trong giai đoạn 1961-1990, xu thế tăng của lượng mưa ngày cực đại biểu hiện rõ ở hầu hết các vùng khí hậu, ngoại trừ vùng Tây Bắc, tăng mạnh nhất là vùng Bắc Trung Bộ và Nam Trung Bộ Trong thời đoạn 1991-2000, ở các vùng khí hậu vùng Đông Bắc lượng mưa ngày cực đại có xu thế giảm, các vùng khí hậu khác có xu thế ngược lại Những năm 2001-2007 là thời kỳ có lượng mưa ngày

đây chứng kiến nhiều trận mưa với lượng mưa ngày rất cao, lên tới 394.9mm (năm 1984), 347mm (năm 2008) 7

Hà Nội là một thành phố có tốc độ đô thị cao, với dân số xấp xỉ 7 triệu người,

tăng nhanh gây áp lực cho cơ sở hạ tầng của Hà Nội nói chung và tới hệ thống thoát nước nói riêng Cơ sở hạ tầng thoát nước của Hà Nội chưa có hệ thống thoát nước thải riêng, cả nước mưa và nước thải sinh hoạt, thải công nghiệp, từ bệnh viện… đều đổ dồn về một hệ thống cống chung Mỗi khi có một trận mưa lớn là ngập úng xảy ra, cho tới nay chưa có giải pháp nào giải quyết triệt để tình trạng này

Nằm ở khu vực phía Nam của thành phố, khu vực nghiên cứu thuộc phường Đồng Tâm, quận Hai Bà Trưng Do đó, khu vực này mang đặc điểm tự nhiên và khí hậu của Hà Nội Là khu vực trũng, đông dân cư, một phía giáp đường Giải Phóng, một phía giáp với sông Kim Ngưu, khu vực nghiên cứu có ranh giới khá rõ, độc lập với các khu vực lân cận Các cửa cống thoát nước chính của khu vực đổ ra sông Kim Ngưu Nằm trên địa bàn phường Đồng Tâm, Trường Đại học Xây dựng được lựa chọn để thực hiện nghiên cứu trường hợp ĐHXD có tổng diện tích 2.75 ha, bao gồm các khu giảng đường, phòng thí nghiệm, sân trường, bãi đỗ xe (Hình 1.3)

Hình 1.3: Khuôn viên và mái nhà ĐHXD

Hệ thống cống thoát nước của ĐHXD đổ ra hệ thống chung của khu vực và được thoát

ra lưu vực sông Kim Ngưu (Hình 1.4)

G27 G28

G29 G31 G30

G37

G38

Hình 1.4: Hệ thống cống thoát nước hiện hữu ĐHXD

CHƯƠNG II – PHƯƠNG PHÁP VÀ DỮ LIỆU

Chương này sẽ trình bày các bước tìm lời giải đáp cho bài toán thu gom mưa để

sử dụng và giảm ngập lụt đô thị Trước tiên, chúng tôi giới thiệu bài toán, cách tiếp cận, các phương pháp nghiên cứu và các số liệu cần thiết để làm sáng tỏ vấn đề của bài toán cũng sẽ được trình bày chi tiết trong chương này

2.1 Đặt bài toán

Bài toán của nghiên cứu được đặt ra nhằm tính toán khả năng thu gom nước mưa từ mái nhà để dội rửa nhà vệ sinh, dội bồn cầu, tưới cây và giảm ngập lụt vào mùa mưa Bài toán có ba mục tiêu cần đạt được: (1) tính toán lượng nước mưa có thể thu gom từ mái nhà để đánh giá khả năng đáp ứng nhu cầu sử dụng thực tế; (2) tính toán dung tích của bể chứa nước mưa thu được nhằm giảm ngập úng cục bộ tại khu vực nghiên cứu; và (3) đánh giá chất lượng nước mưa đảm bảo phù hợp mục đích sử dụng Trường Đại học Xây dựng được lựa chọn để nghiên cứu trường hợp làm sáng tỏ bài toán đặt ra Trường Đại học Xây dựng có tổng diện tích khoảng 2.75 ha, bao gồm các giảng đường H1, H2, nhà thư viện, các nhà chức năng, sân thể dục

Để giải bài toán nghiên cứu, chúng tôi đã thực hiện các công việc sau đây: (i) thu thập số liệu tổng diện tích mái nhà để tính toán lượng mưa có thể thu gom; (ii) ước tính nhu cầu sử dụng nước của trường Đại học Xây dựng cho các mục đích nêu trên; (iii) so sánh lượng mưa có thể thu gom với nhu cầu sử dụng nước để đánh giá khả

tích bể chứa nước mưa nhằm giảm ngập úng cục bộ tại trường Đại học Xây dựng; và (v) đánh giá chất lượng nước mưa Kết quả của bài toán được dùng làm cơ sở khoa học

để đưa ra kiến nghị áp dụng biện pháp thu gom và lưu trữ nước mưa để sử dụng và giảm ngập lụt đô thị Hà nội

2.2 Cách tiếp cận

Nghiên cứu này sử dụng cách tiếp cận liên ngành trong việc tăng cường khả năng thích ứng liên quan tới vấn đề quản lý nước mưa đô thị trong bối cảnh biến đổi khí hậu Dưới tác động của biến đổi khí hậu mà cụ thể là sự ấm lên toàn cầu khiến tăng bốc hơi tăng ngưng tụ và tăng mạnh lượng mưa của các khu vực vào mùa mưa,

hiện tượng ngập lụt xảy ra thường xuyên hơn ở đô thị đông dân cư [1]

Trong các cách tiếp cận thích ứng với biến đổi khí hậu trong quy hoạch đô thị cần thực hiện kết hợp theo các hướng, trong đó thích nghi là giải pháp quan trọng nhất, kinh tế nhất và có tính phổ biến nhất Muốn thích nghi với biến đổi khí hậu thì trước tiên phải hiểu các kịch bản và tác động của biến đổi khí hậu và thực hiện tổng hợp nhiều biện pháp ứng phó: công trình, phi công trình, đa ngành, đa cấp, ngắn hạn, lâu dài, phân tán và tập trung

2.3 Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp luận

Cách tiếp cận liên ngành là kim chỉ nam xuyên suốt nghiên cứu này Các phương pháp nghiên cứu của các ngành liên quan đã được vận dụng hỗ trợ nhau để giải quyết vấn đề nghiên cứu đặt ra Các phương pháp nghiên cứu chi tiết sẽ được trình bày trong phần tiếp theo

2.3.2 Phương pháp nghiên cứu

2.3.2.1 Phương pháp tổng quan tài liệu: hồi cứu các nghiên cứu liên quan để rà

soát và phân tích hiện trạng của vấn đề nghiên cứu, vấn đề tồn tại, xác lập lý lẽ làm cơ

sở cho quan điểm nghiên cứu

2.3.2.2 Phương pháp thủy văn – thủy lực: tính toán lượng mưa có thể thu gom,

tính toán khả năng giảm ngập úng

a Phương pháp lượng mưa hiệu quả

Đây là phương pháp tính toán lượng mưa có thể thu gom từ mái nhà bằng cách tính lượng mưa hiệu quả Lượng mưa hiệu quả là tổng lượng mưa có thể thu gom được trên một đơn vị diện tích mái nhà trong một khoảng thời gian xác định (có thể tính theo tháng hoặc năm) và được xác định theo công thức sau:

Lượng mưa hiệu quả = A x (Lượng mưa – B) (CT-01)

Trong đó:

- B: lượng nước mưa thất thoát (do bốc hơi, làm ướt mái nhà, ), được

xác định khoảng 24mm/năm, hoặc 2mm/tháng

Lượng mưa (V) có thể thu được từ mái sẽ tính theo công thức sau đây:

V = Sm*lƣợng mƣa hiệu quả (CT-02)

Trong đó:

b Phương pháp cường độ giới hạn

Đây là phương pháp tính thời gian nước mưa chảy từ điểm tính toán (là điểm bất lợi nhất) tới tiết diện tính toán do việc úng ngập cục bộ nếu có là do nước mưa rơi xuống mặt đất không kịp thoát ra đến cống (tức là chỉ có ngập cục bộ) Do đó, việc tính toán thời gian nước mưa chảy trên đường, trước khi chảy xuống cống, từ điểm bất lợi nhất để tính toán phương án khắc phục úng ngập cục bộ Phương pháp này cho phép việc giải quyết bài toán chống úng ngập cục bộ bằng cách tính toán tiết diện đường kính cống, rãnh thoát nước mưa hoặc tăng mật độ tuyến thoát nước mưa, giảm thời gian nước mưa chảy trên mặt đường

Phương pháp cường độ giới hạn được tính toán dựa theo trận mưa tính toán, chu kỳ tràn cống P (thời gian lặp lại trận mưa tính toán) để xác đinh thời gian tập trung nước mưa trên mặt đường

c Phương pháp tiếp cận hệ thống thoát nước đô thị bền vững (SUDS)

Các hệ thống thoát nước truyền thống thường được thiết kế để vận chuyển nước mưa ra khỏi nơi phát sinh càng nhanh càng tốt Trong các hệ thống này, chi phí cho xây dựng và vận hành, bảo dưỡng các đường cống thoát nước thường rất lớn, trong khi công suất của chúng lại chỉ có giới hạn và không dễ nâng cấp Cách làm này dẫn đến nguy cơ ngập lụt, xói mòn đất và ô nhiễm ở vùng hạ lưu tăng Trên thực tế, thường rất khó xử lý được nước mưa ở cuối đường ống, bởi sự thay đổi nhanh chóng của lưu

lượng cũng như nồng độ chất bẩn Việc dẫn đi xa và thải dòng chảy bề mặt còn làm mất khả năng bổ cập tại chỗ cho các tầng chứa nước ngầm quí giá

Phát hiện và khắc phục những tồn tại trên, gần đây, người ta đã nghiên cứu và

áp dụng các giải pháp kỹ thuật thay thế, theo phương thức tiếp cận mới: hướng tới việc duy trì những đặc thù tự nhiên của dòng chảy về dung lượng, cường độ và chất lượng; kiểm soát tối đa dòng chảy từ nguồn, giảm thiểu tối đa những khu vực tiêu thoát nước trực tiếp, lưu giữ nước tại chỗ và cho thấm xuống đất, đồng thời kiểm soát ô nhiễm

Đó chính là những nguyên lí của thoát nước bề mặt bền vững (Sustainable urban drainage solutions – SUDS)

Cách tiếp cận của thoát nước mưa bền vững SUDS là thoát chậm, không phải thoát nhanh, để tránh lượng mưa tập trung lớn trong thời gian ngắn (Hình 2.1.a) Tiết diện cống sẽ khó có thể đáp ứng nếu lượng mưa lớn, tốn kém mà nước vẫn tràn cống, gây ngập đường, lụt nhà Vì vậy, phải tổ chức thoát nước mưa, kết hợp các biện pháp khác nhau một cách đồng bộ, sao cho dòng chảy được tập trung chậm Sử dụng các hồ điều hòa trên diện tích thu gom và truyền dẫn nước mưa để lưu giữ nước là một cách làm phổ biến (Hình 2.1.b) Bên cạnh đó, sử dụng bản thân diện tích bề mặt của thành phố, tăng cường việc cho nước mưa thấm tự nhiên xuống đất qua các thảm cỏ xanh, đồng thời cải tạo cảnh quan và điều hòa tiểu khí hậu Thấm nước mưa xuống cũng giúp bổ cập hữu hiệu cho nguồn nước ngầm đang ngày càng khan hiếm, suy kiệt (Hình 2.1.c)

Trong trường hợp khả năng kiểm soát dòng chảy tại chỗ bị hạn chế, thì có thể phân tán dòng chảy theo các lưu vực nhỏ, dẫn nước đi bằng những giải pháp như sử dụng kênh mương hở và nông, lưu giữ nước mưa trong những hồ chứa và cho thấm xuống đất ở những khu vực thích hợp Để ngăn ngừa và kiểm soát ô nhiễm, có thể áp

dụng những giải pháp xử lý tại chỗ trong bãi đất thấm, hồ lắng, bãi lọc ngầm trồng cây, vv

Hiện có nhiều giải pháp thích hợp có thể giảm thiểu sự úng ngập mà mỗi hộ dân

có thể đóng góp sức vào đó như làm các bể chứa thu nước mưa tại mỗi gia đình, mỗi tòa nhà Cách làm này vừa cho phép sử dụng nguồn nước quí trời cho trong sinh hoạt, tưới vườn, rửa xe…mà còn giảm thiểu đáng kể lưu lượng nước mưa tập trung vào hệ thống thoát nước đô thị Đó cũng là giải pháp quan trọng khi mà nhiều đô thị còn đang thiếu nước sạch

Mục tiêu của SUDS:

mưa và thoát dần khi kết thúc trận mưa

Các biện pháp áp dụng:

không kết nối trực tiếp nước mưa với nước thoát

Hình 2.1: Nguyên tắc thoát nước bề mặt bền vững

(a) Dòng chảy tập trung do bề mặt phủ đô thị bị thay đổi;

(b) Trở về dòng chảy tự nhiên ban đầu nhờ các giải pháp làm chậm dòng chảy bề mặt;

(c) Giảm lưu lượng nước cần thoát nhờ các giải pháp làm chậm dòng chảy và thấm

2.3.2.3 Phương pháp hiện trường và phòng thí nghiệm

Phương pháp lấy mẫu, phân tích hiện trường và phòng thí nghiệm được thực hiện trong đánh giá chất lượng nước mưa thu gom Các kết quả đo được tại hiện trường và phòng thí nghiệm sẽ được so sánh với các chỉ tiêu quy định trong QCVN 02-2009/BYT Một số chỉ tiêu đánh giá được mô tả trong bảng 2.1

Bảng 2.1: Một số chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước mưa MỘT SỐ CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC MƯA

Nhôm (Al), Asen (As), Bari (Ba), Đồng (Cu), Chì (Pb), Cadmi (Cd), Crôm (Cr), Sắt (Fe), Kẽm (Zn), Mangan (Mn)

Mẫu nước mưa đã được lấy tại bể chứa của trường ĐHXD để phân tích các chỉ tiêu chất lượng: pH, độ kiềm, độ cứng, độ đục, chất rắn lơ lửng (TDS), chất hữu cơ (COD), tổng Nitro, tổng Phốt pho và các kim loại nặng) Ngoài ra, các mẫu được xét nghiệm để đánh giá các chỉ tiêu về sinh học và vi sinh vật (Coliform, E.coli) theo

E, F được sử dụng để xác định Tổng coliform chịu nhiệt Việc xác định các kim loại nặng được thực hiện bằng cách sử dụng máy quang phổ nguyên tử tia lửa như được

mô tả trong các phương pháp tiêu chuẩn [17]

Kết quả phân tích được so sánh với các chỉ tiêu chất lượng theo quy định trong Quy chuẩn QCVN 02-2009/BYT để đánh giá sự phù hợp của nước mưa cho mục đích sinh hoạt và tưới cây

2.3.2.4 Phương pháp Viễn thám và GIS

Phương pháp hệ thống thông tin địa lý (Geographical Information System – GIS) là phương pháp phân tích không gian được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như nông nghiệp, lâm nghiệp, an ninh, khí hậu, v.v Một trong những ứng dụng mạnh của GIS là xây dựng, lưu trữ thông tin bản đồ số và cho phép chiết xuất các lớp thông tin về các nhóm đối tượng Trong khi các phương pháp thu thập và xử lý thông tin truyền thống tốn thời gian, tính chính xác không cao và khó khăn trong thu thập và tổng hợp khối lượng thông tin lớn Phương pháp GIS có thể xử lý khối lượng thông tin

lớn, phức tạp và cho phép lưu trữ cập nhật cơ sở dữ liệu đảm bảo tính chính xác về đặc trưng của các đối tượng nghiên cứu

Trong nghiên cứu này, với thông tin hình ảnh của các đối tượng nghiên cứu (mái nhà) được Google Earth chụp ngày 12/5/2009, chúng tôi sử dụng phần mềm ArcGIS 10.1 để số hóa các đối tượng, lập cơ sở dữ liệu tổng hợp về các đặc trưng của đối tượng Sau đó, các đặc trưng thuộc tính của các đối tượng được xuất ra bảng excel

lục IV ) Khi sử dụng phần mềm của GIS để xử lý thông tin địa lý, ta có thể sử dụng Bản đồ địa chính, địa hình của khu vực nghiên cứu để kiểm chứng thông tin

2.3.2.5 Phương pháp phỏng vấn

Đây là phương pháp hỏi hộ gia đình một số câu hỏi liên quan nhằm làm rõ những vấn đề liên quan tới tình trạng ngập lụt do mưa lớn, ảnh hưởng của nó tới đời sống người dân Các câu hỏi tập trung vào tầm quan trọng của việc thu gom nước mưa

để sử dụng và giảm ngập lụt cũng như mong muốn xây dựng hệ thống thu gom mưa của các hộ gia đình 40 hộ gia đình sinh sống trong khu vực phường Đồng Tâm, xung quanh trường Đại học Xây dựng Hà Nội đã được lựa chọn để phỏng vấn Thông tin thu thập từ phỏng vấn hộ gia đình được xử lý và phân tích đã cho thấy hiểu biết và thái độ của người dân đối với việc thu gom mưa phục vụ sinh hoạt trong gia đình và giảm

ngập lụt đô thị nơi gia đình họ đang sinh sống (xem câu hỏi phỏng vấn – Phụ lục III)

2.4 Nguồn dữ liệu

2.4.1 Số liệu phục vụ tính toán lượng nước mưa có thể thu gom từ mái nhà Đại học Xây dựng

- Dữ liệu khí tượng: lượng mưa năm được thu thập từ nguồn đáng tin cậy [14]

Bảng 2.2: Lƣợng mƣa Hà Nội năm 2013

Lƣợng mƣa Hà Nội 2013

Lượng mưa tháng 13,8 17,7 46,1 23,3 242,5 216,7 305,9 541,4 374,3 61,2 69,6 22,2

Nguồn: Tổng cục thống kê Quốc gia 20138

- Diện tích các nhà chức năng chính của trường ĐHXD: thu thập từ dữ liệu bản

đồ và ArcGIS 10.1

8 http://www.gso.gov.vn/default.aspx?tabid=713

Bảng 2.3: Diện tích mái phủ của các nhà chức năng chính ĐHXD

STT TÊN NHÀ DIỆN TÍCH (m 2 ) KÍCH THƯỚC

LOẠI MÁI ĐOẠN (m)

1 A1 1247.8

A-B 29

MÁI VÒM B-C 43.3

C-D 29 D-A 43

2 H1 1854.2

A-B 15

MÁI BẰNG B-C 146.8

C-D 15.2 D-A 147.3

3 H2 2581.9

A-B 34.6

MÁI VÒM

B-C 45 C-D 7 D-E 48.4 E-F 21.2 F-G 52.3 G-H 7.5 H-A 39.7

4 G3 948.3

A-B 21

MÁI VÒM B-C 44.6

C-D 21.7 D-A 44.5

5 THÍ NGHIỆM 1093.2

A-B 39.6

MÁI VÒM

B-C 47.4 C-D 16.9 D-E 35.6 E-F 23.3 F-A 12.6

6 THƯ VIỆN 1128.1

A-B 30.6

MÁI VÒM B-C 36.6

C-D 28.4 D-A 36.8

(Nguồn: Đại học Xây dựng, 2013)

2.4.2 Số liệu phục vụ tính toán khả năng tiêu thoát nước của hệ thống cống Đại học Xây dựng

- Số liệu hiện trạng hệ thống cống thoát của ĐHXD:

Hệ thống cống thoát được bố trí dọc theo khuôn viên của trường, với 2 tuyến thoát chính: