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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _ PHẠM MẠNH CỔN NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CÂN BẰNG NƢỚC MẶT TRONG ÚNG NGẬP KHU VỰC NỘI THÀNH HÀ NỘI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI-2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM MẠNH CỔN NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CÂN BẰNG NƢỚC MẶT TRONG ÚNG NGẬP KHU VỰC NỘI THÀNH HÀ NỘI CHUYÊN NGÀNH: MÃ SỐ: MÔI TRƢỜNG ĐẤT VÀ NƢỚC 62440303 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:  PGS TS PHẠM QUANG HÀ  PGS TS NGUYỄN MẠNH KHẢI HÀ NỘI-2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên c ứu riêng tôi, đƣợc hoàn thành dƣới hƣớng dẫn PGS TS Phạm Quang Hà PGS TS Nguyễn Mạnh Khải Các kết đƣợc viết chung với tác giả khác đƣợc trí đồng tác giả đƣa vào luận án Số liệu nêu lu ận án trung thực kết nghiên cứu chƣa đƣợc công bố công trình khác Nghiên cứu sinh Phạm Mạnh Cổn LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy hƣớng dẫn: PGS TS Phạm Quang Hà PGS TS Nguyễn Mạnh Khải Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn hƣớng dẫn, giúp đỡ tận tình Thầy, Cô, cán nghiên cứu viên Khoa Môi trƣờng, Khoa Khí tƣợng Thủy văn Hải dƣơng học, Phòng Sau Đại học, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội; đƣợc làm việc với Thầy, Cô, cán nhà khoa học trẻ, hạnh duyên nghiên cứu sinh nghiệp làm khoa học nhƣ đời Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Tạp chí Tia Sáng, Bộ Khoa học Công nghệ, nơi tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh phát triển nghiệp nghiên cứu khoa học Nghiên cứu sinh xin gửi lời tri ân tới thành viên gia đình, tới Eltek Việt Nam động viên chia sẻ, thông cảm bạn bè, ngƣời thân khó khăn mà ngƣời phải gánh vác trình nghiên cứu hoàn thiện luận án Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến DHI DHI Việt Nam; hỗ trợ DHI việc cung cấp quyền sử dụng công cụ MIKE FLOOD giúp đỡ Bà Trần Thị Hồng Hạnh - cán DHI Việt Nam, đóng vai trò quan trọng thành công nghiên cứu khoa học Hà Nội, ngày tháng năm NCS PHẠM MẠNH CỔN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG……………………………………………………… DANH MỤC CÁC HÌNH ……………………………………………………… MỞ ĐẦU ……………………………………………………………………… TÍNH CẤP THIẾT CỦA NGHIÊN CỨU ……………………………… MỤC TIÊU CỦA NGHIÊN CỨU ……………………………………… PHẠM VI VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU…………………………… NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ………………………… Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA NGHIÊN CỨU ………………………… CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN ………………………………………… LUẬN ĐIỂM BẢO VỆ CỦA NGHIÊN CỨU ………………………… CHƢƠNG TỔNG QUAN …………………………………………………… 1.1 CÂN BẰNG HỆ THỐNG NƢỚC, HỆ THỐNG CÂN BẰNG NƢỚC MẶT NỘI ĐÔ ………………………………………………………… 1.1.1 Cân hệ thống nƣớc khu vực đồi Buda Castle Hill ………………… 1.1.2 Cân hệ thống nƣớc lƣu vực Chao Phraya (Bangkok, Thái Lan) … 1.1.3 Cân hệ thống nƣớc mặt nội đô Thành phố Hồ Chí Minh …… 1.2 HỆ THỐNG CÂN BẰNG NƢỚC THỦ ĐÔ HÀ NỘI ………………… 1.2.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên khu vực Hà Nội ……………………………… 1.2.2 Tình hình ngập lụt Thủ Đô Hà Nội ………………………………… 1.2.3 Hệ thống cân nƣớc mặt lƣu vực Nhuệ-Đáy ……………………… 1.2.4 Hệ thống cân nƣớc mặt nội đô Hà Nội qua giai đoạn phát triển 1.2.5 Mạng lƣới tiêu thoát úng ngập hệ thống cân nƣớc mặt nội đô Hà Nội 1.3 TÌNH TRẠNG Ô NHIỄM CỦA LƢU VỰC NHUỆ-ĐÁY VÀ KHU VỰC NỘI ĐÔ - MẤT CÂN BẰNG CHẤT …………………………… 1.3.1 Hiện trạng ô nhiễm nguồn nƣớc sông …………………………………… 1.3.2 Hiện trạng ô nhiễm nguồn nƣớc hồ …………………………………… 1.3.3 Các thông số ô nhiễm …………………………………………………… 1.4 TỔNG QUAN VỀ CÔNG CỤ MÔ PHỎNG …………………………… 1.4.1 Một số mô hình thông dụng tính toán tiêu thoát nƣớc đô thị …… 1.4.2 Lựa chọn mô hình mô …………………………………………… CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG BỘ CƠ SỞ DỮ LIỆU, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH MÔ PHỎNG …………… 2.1 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU……………………………………… 2.1.1 Phƣơng pháp nghiên cứu kế thừa từ tài liệu thứ cấp………………… 2.1.2 Phƣơng pháp quan trắc, lấy mẫu phân tích ô nhiễm số thủy vực nội đô……………………………………………………………… 2.1.3 Phƣơng pháp phân tích, kiểm chứng phân tích chuyên gia………… 2.1.4 Phƣơng pháp khảo sát thực địa………………………………………… 2.2 XÂY DỰNG BỘ CƠ SỞ DỮ LIỆU MÔ PHỎNG CỦA HỆ THỐNG CÂN BẰNG NƢỚC MẶT NỘI ĐÔ HÀ NỘI………………………… 2.3 XÂY DỰNG MẠNG LƢỚI THỦY LỰC CHO MÔ HÌNH MIKE MOUSE 10 10 12 13 14 14 15 16 18 18 22 23 26 29 29 30 32 35 40 48 48 49 50 53 53 61 63 63 63 64 65 66 68 70 2.3.1 Mạng tính toán ………………………………………………………… 2.3.2 Điều kiện biên tính toán ………………………………………………… 2.4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHIỀU TRONG MIKE 21………………… 2.5 KẾT NỐI MIKE MOUSE VÀ MIKE 21……………………………… 2.6 HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH…………………………… 2.6.1 Hiệu chỉnh mô hình sử dụng số liệu trận ngập úng năm 2008……… 2.6.2 Kiểm định với trận ngập lụt năm 2013………………………………… CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…………………………………… 3.1 Kết đánh giá ô nhiễm môi trƣờng nƣớc mặt nội đô úng ngập, cân chất, quan hệ MCB lƣợng chất………… 3.1.1 Các kết phân tích ô nhiễm nƣớc mặt……………………………… 3.1.2 Tác động nƣớc mƣa nƣớc thải đô thị đến chất lƣợng nƣớc sông, hồ khu vực nội thành Hà Nội, đánh giá độ tƣơng đồng………………… 3.1.3 Quan hệ MCB chất MCB lƣợng hệ thống cân nƣớc mặt nội đô Hà Nội……………………………………………………… 3.2 KẾT QUẢ XÂY DỰNG BỘ CƠ SỞ DỮ LIỆU………………………… 3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CÂN BẰNG NƢỚC MẶT NỘI ĐÔ HÀ NỘI TRONG ÚNG NGẬP…………………………………… 3.3.1 Kết mô hình mô trận ngập úng 31/10/2008-1/11/2008……… 3.3.2 Kết mô hình mô trận ngập úng ngày 8/8-9/8/2013………… 3.3.3 Các thảo luận cân hệ thống cân nƣớc mặt nội đô Hà Nội 3.3.4 Nguyên nhân úng ngập vùng nội đô Hà Nội…………………………… 3.4 GIẢI PHÁP CẢI THIỆN TÌNH TRẠNG NGẬP ÚNG TẠI HỆ THỐNG CÂN BẰNG NƢỚC MẶT NỘI ĐÔ HÀ NỘI………………………… 3.4.1 Kịch 29 nút MCB…………………………………………………… 3.4.2 Kịch 11 nút MCB…………………………………………………… KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………………………………………………… Kết luận………………………………………………………………… Kiến nghị………………………………………………………………… DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ………………… TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………… PHỤ LỤC LUẬN ÁN…………………………………………………………… 70 78 81 82 84 84 90 93 93 93 96 98 100 101 101 110 117 123 126 127 136 149 149 150 152 153 158 DANH MỤC VIẾT TẮT Am BĐKH BOD BTNMT CB CBN COD CSDL DHI DO EPA GIS HN MCB MCBN MTV NN Pm QCVN SWMM t/p TCVN TNHH VHLKH&CN VN VIWASE Buổi sáng (sáng) Biến đổi khí hậu Nhu cầu oxy sinh hóa Bộ tài nguyên môi trƣờng Cân Cân nƣớc Nhu cầu oxy hóa học Cơ sở liệu Viện Thủy lực Đan Mạch Oxy hòa tan Cơ quan bảo vệ môi trƣờng Hoa Kỳ Geography Information System Hà Nội Mất cân Mất cân nƣớc Một thành viên Nhà nƣớc Buổi chiều (chiều) Quy chuẩn Việt Nam Storm Water Management Model Thành phố Tiêu chuẩn ViệtNam Trách nhiệm hữu hạn Viện Hàn Lâm khoa học & công nghệ Việt Nam Công ty Cổ phần nƣớc Môi trƣờng Việt Nam DANH MỤC CÁC BẢNG STT Nội dung Trang Bảng 1.1 Các tiểu lƣu vực lƣu vực Tô Lịch 40 Bảng 1.2 Một số hồ điển hình địa bàn nội đô Hà Nội 42 Bảng 1.3 Hệ thống tiêu thoát nƣớc nội đô, số liệu đến 1/2009 43 Bảng 1.4 Tổng hợp số lƣợng điểm úng ngập ứng với trận mƣa 44 từ 50 mm đến 100 mm năm (từ năm 2003 đến 2010) Bảng 1.5 Số liệu số trận mƣa lớn Hà Nội 1972-2013 45 Bảng 2.1 Các đồ sử dụng phục vụ tính toán tiêu thoát 63 nƣớc mƣa Bảng 2.2 Mực nƣớc thời điểm lấy mẫu phân tích mƣa, bão số 6, 8-9/8/2013 (mực nƣớc cao thấp sông Tô 66 Lịch-Kim Ngƣu, Lừ, Sét hồ) Bảng 2.3 Đặc trƣng kênh hở mô hình tính toán 71 Bảng 2.4 Yêu cầu số liệu hố ga mô hình 76 10 Bảng 2.5 Yêu cầu số liệu đoạn cống mô hình 77 Bảng 2.6 Lựa chọn kết nối MIKE MOUSE MIKE 21 11 82 MIKE 21 12 Bảng 2.7 So sánh giá trị thực đo tính toán trận ngập 10/2008 86 Bảng 2.8 So sánh độ ngập sâu tính toán thực tế trận ngập 13 92 8/8-9/8/2013 Bảng 3.1 Kết phân tích chất lƣợng nƣớc hồ nƣớc sông 14 94 nội thành Hà Nội mức nƣớc cao, lũ 09/8/2013 Bảng 3.2 Kết phân tích chất lƣợng nƣớc hồ nƣớc sông 15 94 nội thành Hà Nội mức nƣớc cạn (09/9/2013) 16 Bảng 3.3 Các điểm phát úng trận úng ngập 31/10-1/11/2008 109 17 Bảng 3.4 Các điểm phát úng trận úng ngập 8/2013 112 18 Bảng 3.5 Phân loại nút cân 125 Bảng 3.6 So sánh số liệu thời gian ngập, độ ngập sâu 19 phƣơng án 11 nút MCB 29 nút MCB, lƣợng mƣa tƣơng 148 đƣơng (31/10/2008) DANH MỤC CÁC HÌNH TT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Nội dung Hình Hệ thống tiêu thoát nƣớc nội đô hình nan quạt Hình 1.1 Biểu diễn chu trình thủy văn chung Hình 1.2 Thành phần khác dòng chảy tràn Hình 1.3 Sơ đồ diễn tả cấu thành tham gia vào tình trạng cân hệ thống nƣớc khu vực Buda Castle Hill Hình 1.4 Các hƣớng lũ cục cộng thêm lũ nƣớc chảy tràn bề mặt từ hai đập thƣợng lƣu công Băng Cốc trận lụt 11/2011 Hình 1.5 Biểu đồ tích xả nƣớc hồ chứa nƣớc Bhumidol Sirikit năm 2011 Hình 1.6 Mạng lƣới số hóa lƣu vực Chao Phraya Hình 1.7 Biểu đồ thống kê ngập úng quận trung tâm vùng ngoại vi, thành phố Hồ Chí Minh, 2003-2011 Hình 1.8 Hơn 100 điểm ngập úng thành phố Hồ Chí Minh Hình 1.9 Sơ đồ nguyên nhân gây úng ngập cho thành phố Hồ Chí Minh Hình 1.10 Ngập lụt phía đầu cầu Gia Lâm năm 1926 (ảnh trái) ngập lụt bờ hữu Hồng Hà Nội năm 1926 (ảnh phải) Hình 1.11 Sơ đồ lƣu vực Nhuệ - Đáy Hình 1.12 Nền địa hình Hà Nội dốc Tây-Đông Bắc-Nam Hình 1.13 Mặt cắt biểu diễn hƣớng dốc lƣu vực Nhuệ-Đáy từ Tây sang Đông, thấp khu vực sông Tô Lịch Hình 1.14 Nƣớc ngập đƣờng 70, cạnh sông Nhuệ 9/8/2013-ảnh trái; xả nƣớc ngƣợc trở lại Tô Lịch qua cửa Thanh Liệt, sau bão số 6; 9/8/2013 (ảnh phải) Hình 1.15 Hà Nội năm 1873 với khu vực Hoàng Thành, khu phố cổ, khu phố Pháp sau chiếm Hà Nội (trái) Hà Nội năm 1935 (phải) Hình 1.16 Sơ đồ mạng thủy lực hệ thống tiêu thoát nƣớc mặt nội đô Hà Nội Hình 1.17 Qui hoạch Hà Nội 1954-1960 (trái) 1960-1964 (phải) Hình 1.18 Qui hoạch Hà nội đến năm 2010 (lập năm 1986) đƣợc điều chỉnh năm 1998 cho phát triển đến năm 2020 (trái) Qui hoạch Hà Nội 2030 tầm nhìn 2050 (phải) Hình 1.19 Sơ đồ hệ thống thoát nƣớc nội đô Hà Nội Hình 1.20 Xe bơm lƣu động ống mềm (màu trắng) thoát nƣớc bơm lƣu động mƣơng Phan Kế Bính-Linh Lang ngày 8/8/2013 Hình 1.21 Úng ngập Phan Kế Bính (trái); khách sạn Daewoo, Kim Mã (phải) ngày 8/8/2013 Hình 1.22 Sơ đồ thoát nƣớc nội đô sau giai đoạn II Hình 1.23 Một số hoạt động khuôn khổ dự án thoát nƣớc giai đoạn II Bê tông hóa mƣơng Phan Kế Bính Hình 1.24 Chỉ số DO dọc sông Đáy (biểu đồ trái), dọc sông Nhuệ (phải) Tr 16 18 20 22 24 25 26 27 27 27 31 32 33 33 35 35 36 37 39 40 45 46 47 47 50 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 Hình 1.25 Diễn biến số BOD5 nƣớc sông Tô Lịch (màu xanh) sông Kim Ngƣu (màu đỏ) 10 năm gần Hình 1.26 Diễn biến số BOD5 trog nƣớc Hồ Tây (màu xanh) Hồ Bảy mẫu (màu đỏ) 20 năm qua Hình 1.27 Cấu trúc mô hình MIKE FLOOD Hình 1.28 MIKE FLOOD kết nối MIKE MOUSE-MIKE 21 Hình 1.29: Sơ đồ khối quy trình tính toán, mô kiểm nghiệm Hình 2.1 Sơ đồ điểm lấy mẫu ô nhiễm nƣớc mặt Hình 2.2 Trạm công trình đầu mối Hồ Tây Hình 2.3 Đo đạc cao độ mặt đƣờng khu Đội cấn – Giang Văn Minh Hình 2.4 Đo đạc tuyến Văn Cao Hình 2.5 Đo độ cao cửa phai Nguyễn Đình Chiều (hồ Bảy Mẫu) sào công tác, ảnh bên trái-chụp ngày 18/11/2013 Hình 2.6 Đo chiều rộng bên mƣơng ngầm bê tông Phan Kế Bính (đang trình thi công) thƣớc dây, ảnh bên phải-chụp 19/4/2012 Hình 2.7 Khu vực tính toán Hình 2.8 Các đặc trƣng thủy lực mặt cắt sông Tô Lịch Hình 2.9 Các đặc trƣng thủy lực mặt cắt sông Lừ Hình 2.10 Giao diện nhập thông số mặt cắt kênh hở MIKE MOUSE Hình 2.11 Cấu trúc sở liệu phục vụ tính toán tiêu thoát nƣớc mặt nội đô Hà Nội Hình 2.12 Sơ đồ bố trí Ga Hàm Ếch cống đƣờng phố Hình 2.13 Mặt cắt dọc Ga Thăm tuyến cống phố Hoàng Cầu Hình 2.14 Ví dụ bảng liệu thông tin hố ga nội thành Hà Nội Hình 2.15 Ví dụ mạng lƣới hố ga, cống ngầm tuyến mô hình Hình 2.16 Minh họa bảng số liệu cống thoát nƣớc Hình 2.17 Minh họa mặt cắt dọc cống thoát nƣớc phố Triệu Việt Vƣơng Hình 2.18 Một phần 2.704 tiểu vùng đƣợc phân chia khu vực tính toán Hình 2.19 Hộp số liệu thông số đặc trƣng lƣu vực Hình 2.20 Hộp số liệu kết nối tiểu vùng với hố ga Hình 2.21 Hộp số liệu thông số mô hình mƣa dòng chảy cho tiểu vùng Hình 2.22 Mạng lƣới chiều mô hình MIKE MOUSE Hình 2.23 Lƣới tính toán chiều Hình 2.24 Kết nối MIKE MOUSE MIKE 21 Hình 2.25 Kết nối hố ga ô lƣới Hình 2.26 Biều đồ mƣa trạm Láng (30/10 – 5/11/2008) Hình 2.27 Mực nƣớc cống trƣớc thời điểm mƣa tuyến phố Triệu Việt Vƣơng Hình 2.28 Mực nƣớc dâng cao tràn hố ga tuyến phố Triệu Việt Vƣơng Hình 2.29 Diện ngập lụt lớn nội thành Hà Nội trận ngập năm 2008 52 52 60 60 62 65 65 67 67 67 67 72 72 73 73 74 75 75 76 77 78 78 79 80 80 80 81 82 83 83 84 85 86 87