Bài viết này sẽ trình bày giới thiệu về mô hình MUSIC được phát triển bởi trung tâm eWater - Úc và ứng dụng mô hình để mô phỏng hệ thống tiêu thoát nước mưa khu đô thị Mỹ Đình. Kết quả nghiên cứu mở ra một hướng lựa chọn công cụ mới giúp những nhà nghiên cứu, nhà quản lý tìm kiếm công cụ phù hợp để giải quyết các bài toán tài nguyên nước đô thị một cách hiệu quả và bền vững.
Nghiên cứu ỨNG DỤNG MƠ HÌNH MUSIC MƠ PHỎNG HỆ THỐNG TIÊU THOÁT NƯỚC MƯA: TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU Ở KHU ĐƠ THỊ MỸ ĐÌNH, HÀ NỘI Trần Ngọc Hn1, Nguyễn Thị Thùy Linh1, Đỗ Thúy Hảo2, Hoàng Thị Nguyệt Minh1 Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội UBND Phường Đại Mỗ, Nam Từ Liêm, Hà Nội Tóm tắt Ngập lụt thị, nhiễm nguồn nước, sụt lún khai thác nước ngầm mức thách thức mà đô thị lớn phải đối mặt Tác động người việc tăng diện tích bề mặt khơng thấm làm dẫn đến giảm lượng nước thấm, tăng dòng chảy mặt, làm lượng bổ cập nước đất Muốn xây dựng đô thị đại bền vững cần phải giải tốt tốn tài ngun nước thị, cần nghiên cứu phần mềm có khả quản lý tốt nguồn nước mưa khu vực thị để giải tốn tổng thể Bài báo trình bày giới thiệu mơ hình MUSIC phát triển trung tâm eWater - Úc ứng dụng mơ hình để mơ hệ thống tiêu nước mưa khu thị Mỹ Đình Kết nghiên cứu mở hướng lựa chọn công cụ giúp nhà nghiên cứu, nhà quản lý tìm kiếm cơng cụ phù hợp để giải toán tài nguyên nước đô thị cách hiệu bền vững Từ khóa: Tài ngun nước thị; mơ hình MUSIC; khu thị Mỹ Đình; hệ thống tiêu nước mưa Application of MUSIC model on simulating the stormwater drainage systems: a case study in My Dinh urban area, Hanoi Abstract Urban flooding, water pollution, and land subsidence caused by over-exploitation of groundwater are currently the major challenges that many large cities have been facing The increasing of impervious surface areas due to human urban activities have resulted in decreasing of groundwater recharge and, increasing surface water flow In order to build a modern and sustainable urban city, the urban water resources issue are needed to be addressed thoroughly by applying numerical models for integrated management of stormwater drainage This paper presents a brief introduction of MUSIC model developed by E-Water in Australia and the applications of the model on simulating the stormwater drainage system in My Dinh The results of this study will illustrate a new approach to support researchers and managers in effective and sustainable management of urban water resources issues Keywords: Urban water resources; MUSIC modeling; stormwater Drainage System; My Dinh urban area Giới thiệu trình thị hóa diễn nhanh Các thành phố lớn Việt Nam trực tiếp ảnh hưởng tới tình trạng tiêu phải đối mặt với nạn ngập úng ngày thoát nước ngập úng Tăng cường sử nghiêm trọng Tại thủ đô Hà Nội, dụng cơng trình “tự nhiên” có đặc Tạp chí Khoa học Tài nguyên Môi trường - Số 17 - năm 2017 11 Nghiên cứu tính thấm trữ nước khơng giảm thiểu ngập lụt mà giữ lại xử lý nguồn nước mưa hỗ trợ cấp nước, bổ cập phục hồi nước đất, trì dịng chảy sông, cải thiện môi trường sống, tăng giá trị đa dạng sinh học tạo mỹ quan thị [3] Sử dụng mơ hình có khả quản lý tốt nguồn nước mưa khu vực thị để giải tốn tổng thể thông qua việc xem xét, đánh giá giải pháp xây dựng biện pháp hiệu cần phần mềm có khả tính tốn phân tích hệ thống thống giải nhiều vấn đề giúp nhà quy hoạch, hoạch định sách đưa định đắn Một số mơ hình giúp giải tốn tiêu nước thị, vấn đề nhiễm môi trường hay cấp nước đô thị, áp dụng rộng rãi giới Việt Nam như: SWMM, WaterMet2, SUEWS, Mike Urban, Sobek Urban MUSIC [4] Bài báo bước đầu giới thiệu tổng qt mơ hình MUSIC thử nghiệm mơ hệ thống tiêu nước mưa khu thị Mỹ Đình - Hà Nội Kết nghiên cứu tiền đề để phát triển nghiên cứu việc đánh giá hiệu giải pháp giảm nhập kiểm soát chất lượng nước mưa chảy tràn Giới thiệu mơ hình MUSIC Bộ phần mềm MUSIC (Model for Urban Storwater Improvement Conceptualisation) phát triển trung tâm eWater (Australia) phần mềm hỗ trợ định phục vụ cho công tác quản lý nước mưa khu vực đô thị Phần mềm giúp người sử dụng xây dựng mô hệ thống quản lý nước mưa hiệu cho khu 12 thị MUSIC cung cấp khả tính tốn dịng chảy lan truyền nhiễm sinh từ nước mưa, từ mơ q trình vận hành đối tượng riêng biệt tồn hệ thống xử lý nước mưa Thơng qua đó, MUSIC cho phép người sử dụng đánh giá hiệu xử lý nước mưa số lượng chất lượng mắt xích riêng lẻ tồn hệ thống tiêu xử lý nước mưa đô thị MUSIC thiết kế chuyên biệt để mơ q trình hình thành q trình lan truyền chất dịng chảy sinh mưa lưu vực thị hóa Phần mềm áp dụng phổ biến cho khu vực đô thị nhờ khả mô linh hoạt thay đổi sử dụng đất tính tương tác yếu tố thủy văn điều kiện thị Bên cạnh đó, với khả tích hợp xử lý thông tin GIS, MUSIC lựa chọn tối ưu cho đánh giá hiệu phương án quy hoạch hệ thống xử lý nước mưa cho lưu vực phát triển MUSIC công cụ mạnh giúp hỗ trợ định phục vụ cho công tác quản lý nước mưa Phần mềm cung cấp khả tính tốn dịng chảy lan truyền chất ô nhiễm cho phép người sử dụng đánh giá hiệu biện pháp xử lý nước mưa số lượng chất lượng với quy mơ từ thị đến ngoại có diện tích từ 0,01 đến 100 km2 [2] Mơ hình MUSIC cho phép tính tốn chất lượng nước nguồn tiếp nhận bao gồm chất rắn lơ lửng, tổng lượng phopho, tổng Nito dựa phương trình cân nước tỷ lệ phân rã chất ô nhiễm Mô hình tích hợp 12 giải pháp nhằm giảm lượng nước cần tiêu chất nhiễm sinh q Tạp chí Khoa học Tài ngun Mơi trường - Số 17 - năm 2017 Nghiên cứu trình mưa để cải tạo không gian đô thị thân thiện với môi trường tái sử dụng nguồn nước mưa: - Hệ thống điều hòa sinh học (Bioretention systems): Là hệ thống có thảm thực vật xung quanh, giúp nước mưa lọc chất nhiễm hịa tan - Hệ thống thấm (Infiltration systems): Hệ thống giúp loại bỏ chất ô nhiễm trước thấm xuống làm tăng khả bổ cập nước đất - Dải thảm thực vật đệm (Buffer strips): Dải đệm giúp loại bỏ chất ô nhiễm rắn trước thấm xuống đất thường thiết kế ven đường - Bể chứa nước mưa (Rainwater tanks): Bể thu nước mưa từ mái nhà, có tác dụng giảm đỉnh lũ, tái sử dụng nguồn nước bổ cập nước đất - Đất ngập nước (Wetlands): Giúp loại bỏ trầm tích lơ lửng chất nhiễm hịa tan không tan Giải pháp thường sử dụng nút cuối sau nghiên cứu lựa chọn số biện pháp khác Mô tả khu vực nghiên cứu Khu vực nghiên cứu có vị trí cách trung tâm Hà Nội 10 km phía Tây Nam, thuộc quận Nam Từ Liêm quận Cầu Giấy - thành phố Hà Nội gồm phường: Mai Dịch, Mỹ Đình 1, Mỹ Đình 2, Phú Đô bao tuyến đường Hồ Tùng Mậu, Lê Đức Thọ, Nguyễn Cơ Thạch với tổng diện tích 155 [8] Hình1 Bản đồ phân vùng tiêu thoát khu vực nghiên cứu Hệ thống thoát nước khu Mỹ Đình bao gồm tuyến cống, mương trạm bơm tiêu Cụ thể, dọc bên trái khu vực nghiên cứu tuyến mương hở Mai Dịch - Phú Đô nằm đường Nguyễn Cơ Thạch Tuyến mương có chiều dài L = 3410 m, hạ lưu cống hộp B x H = (1,5 m x 1,2 m) qua đường Hồ Tùng Mậu chảy mương tiêu Đồng Bông qua trạm bơm Đồng Bông với công suất m3/s đổ sông Nhuệ Đây tuyến mương Tạp chí Khoa học Tài nguyên Môi trường - Số 17 - năm 2017 13 Nghiên cứu nước mưa nước thải cho khu vực phường Mai Dịch, Mỹ Đình 1, Mỹ Đình 2, Phú Đơ đường Hồ Tùng Mậu, Lê Đức Thọ, Nguyễn Cơ Thạch Tuyến mương công ty TNHH thành viên thoát nước Hà Nội quản lý Đoạn cống đường Nguyễn Cơ Thạch qua sân vận động Mỹ Đình đến Mương Đồng Bơng đoạn mương hở kè đá, hai bên có lan can, vỉa hè đường giao thông đồng Trên hệ thống mương cịn có cống góp đổ vào, cống góp phục vụ tiêu cho tiểu lưu vực Mặc dù, khu đô thị Mỹ Đình khu thị mới, thiết kế quy hoạch động bộ, khu vực bị ngập xảy mưa lớn Các trận mưa năm gần 2008, 2014, 2016, đặc biệt trận mưa lịch sử năm 2008 ngập toàn đường phố, vỉa hè khu đô thị gây thiệt hại lớn cho người dân Những trận mưa không lớn khu vực khơng bị ngập úng sau trận mưa lại xuất vũng nước từ - cm ứ đọng bề mặt đường gây thẩm mĩ vệ sinh môi trường Phương pháp nghiên cứu liệu sử dụng 4.1 Phương pháp nghiên cứu Phần lớn dòng chảy tiểu lưu vực thị sinh từ diện tích bề mặt khơng thấm Dịng ngầm chịu ảnh hưởng độ ẩm tầng sát mặt mực nước ngầm, chiếm phần nhỏ q trình hình thành dịng chảy đô thị [2] Chiew cộng (1997) dựa vào mối quan hệ diện tích khơng thấm, hai bể trữ ẩm đất (tầng nơng tầng sâu) (hình 2) để tính tốn lượng dịng chảy thị phương pháp diễn toán Muskingum-Cunge sử dụng để diễn tốn dịng chảy đoạn kênh - Số liệu đầu vào gồm: + RAIN: Lượng mưa (mm); + PET: Lượng bốc tiềm (mm) - Một số giá trị thành phần: + IMPSC: Khả trữ nước bể không thấm (mm); + SMSC: Khả trữ nước bể thấm (mm); + INF: Lượng thấm (mm); + S: Độ ẩm bể thấm (mm); + FC: Bể chứa (mm) Hình Cấu trúc mơ hình mưa - dịng chảy mơ hình MUSIC 3.2 Dữ liệu sử dụng Nguồn [1] bao gồm: Giá trị mưa thời đoạn ngắn; Dựa vào cấu trúc mơ hình tài liệu bốc (lượng bốc trung MUSCI, liệu đầu vào mơ hình bình tháng, giá trị lớn nhất, giá trị nhỏ 14 Tạp chí Khoa học Tài nguyên Môi trường - Số 17 - năm 2017 Nghiên cứu nhất) MUSIC; sơ đồ mạng lưới tiêu thoát, phân vùng tiêu thơng số thiết kế (kích thước cống tiêu, kênh tiêu); trạng sử dụng đất để xác định phần trăm diện tích thấm nước khơng thấm nước đặc tính loại đất, thổ nhưỡng vùng nghiên cứu (độ rỗng, độ sâu tầng rễ cây,…) Ngồi thơng tin đặc tính loại đất khu vực nghiên cứu thu thập thêm từ UBND phường địa bàn Lân cận khu vực nghiên cứu có trạm khí tượng đo mưa là: Trạm Láng, trạm Đông Anh, trạm Liên Mạc, trạm Hà Đơng [8] Trạm Láng trạm khí tượng có số liệu quan trắc đầy đủ có khoảng cách gần với vùng nghiên cứu, liệu khí tượng trạm Láng gồm số liệu mưa bốc sử dụng mơ hình MUSIC Các thơng số mơ hình liên quan đến đặc tính thổ mơ hình MUSIC phụ thuộc vào đặc điểm thổ nhưỡng khu vực nghiên cứu: Theo số liệu lấy từ UBND phường Mỹ Đình loại đất khu vực đất thịt [5] Các thông số xác định dựa vào nguồn liệu tham khảo Macleod 2008 hội thảo Hiệp hội ngành tiêu thoát nước mưa bang New Sounth Wale Queenland “SCA Penrith office Sydney Catchment Authority Level “Using MUSIC in Sydney’s Drinking Water Catchment” [6] Bảng Thơng số đặc tính lưu vực STT Thơng số Ý nghĩa Ngưỡng mưa sinh dòng chảy Rainfall Threshold bể không thấm Soil Storage Capacity Độ ẩm bão hòa đất Initial Storage Độ ẩm ban đầu Field Capacity Khả trữ nước Infiltration Capacity Coefficient - a Hệ số thấm Hệ số thấm theo hệ số mũ Infiltration Capacity Exponent - b số e Initial Depth Độ sâu ban đầu Daily Recharge Rate Tỷ lệ bổ cập hàng ngày Daily Baseflow Rate Tốc độ dòng chảy ngày 10 Daily Deep Seepage Rate Tốc độ thấm sâu ngày Đơn vị Giá trị (mm/day) 1,00 (mm) (% dung tích) (mm) - 97 25 79 250 - 1,3 (mm) (%) (%) (%) 10 60 45 Dựa vào đồ trạng sử dụng đất lưu vực sông Nhuệ Đáy năm 2015 dự án MK27 [7], tỷ lệ diện tích thấm khơng thấm tiểu lưu vực xác định Bảng 2: Tỷ lệ diện tích thấm không thấm tiểu lưu vực Tiểu LV Tiểu lưu vực Tiểu lưu vực Tiểu lưu vực Tiểu lưu vực Tiểu lưu vực Tiểu lưu vực Tiểu lưu vực Tiểu lưu vực Diện tích (ha) 21,83 9,952 21,22 5,85 5,00 35,49 20,41 34,94 % Thấm 45 21 11 32 20 % Không thấm 99 55 79 92 100 89 68 80 Tạp chí Khoa học Tài nguyên Môi trường - Số 17 - năm 2017 15 Nghiên cứu Kết thảo luận Hình Bản đồ trạng sử dụng đất khu vực nghiên cứu 4.1 Thiết lập mơ hình - Phân vùng tiêu thoát: Phân chia lưu vực tổng thể thành tiểu lưu vực dựa vào hệ thống kênh, mương, cống, hệ thống đường giao thông hồ sơ thiết kế hệ thống tiêu nước cho khu thị Mỹ Đình - Thiết lập liệu mưa: Lượng mưa nhập cho mơ hình tài liệu mưa - Thiết lập thông số cống, kênh mương: Sử dụng phương pháp Muskingum - Cunge để diễn tốn dịng chảy Dựa vào thông số thiết kế cống mương như: Loại cống, bán kính thủy lực, độ dốc, độ nhám, vận tốc, chiều dài để tính tốn thơng số thời gian chảy truyền hệ số tổn thất Hình Mơ sơ đồ tính tốn hệ thống tiêu nước khu thị Mỹ Đình MUSIC 16 Tạp chí Khoa học Tài ngun Mơi trường - Số 17 - năm 2017 Nghiên cứu - Thiết lập thơng số cho tiểu lưu vực: Ngồi việc thiết lập thông số lưu vực bảng 1, thông tin diện tích tiểu lưu vực thị cần khai báo giá trị: Total Area: Tổng diện tích lưu vực; Impervious and Pervious (%): Phần trăm diện tích thấm khơng thấm khu vực Hình Đường trình mưa năm 2003 Lưu lượng đỉnh lũ trạm bơm Đồng Bơng qua kết tính tốn mơ hình MUSIC 20 m3/s, vượt lần so với công suất bơm Đồng Bông 8m3/s Nhưng theo liệu thực tế, thiệt hại gây lại khơng cao trận mưa với cường độ mưa lớn kéo dài vòng cường độ mưa trung bình thấp Hình Đường trình mưa năm 2008 4.2 Mô thử nghiệm 4.2.1 Trận lụt 2003 Mô trận lũ năm 2003 từ ngày 24/5 đến 25/5/2003 Trận mưa có tổng lượng mưa 135,2 mm, cường độ mưa lớn 55 mm/h Hình Mơ đường trình lũ năm 2003 4.2.2 Trận lụt 2008 Mô trận lũ năm 2008 từ ngày 04/11 đến 10/11/2008 Đợt ngập úng năm 2008 xuất sau trận mưa lịch sử, trận mưa có tổng lượng vào khoảng 391 mm, khơng có cường độ lớn đặc biệt mà cường độ mưa lớn khoảng 70 mm/h, mưa lớn kéo dài liên tục ngày với cường độ mưa trung bình 20 mm/h ngun nhân gây nên tình trạng ngập úng tồn thành phố Hà Nội có khu vực nghiên cứu Hình Mơ đường q trình lũ năm 2008 Tạp chí Khoa học Tài ngun Mơi trường - Số 17 - năm 2017 17 Nghiên cứu 4.2.3 Trận lụt 2012 Mô trận lũ năm 2012 từ ngày 17/8 đến 18/8/2012 Theo kết tính tốn mơ hình MUSIC với trận mưa năm 2012, trạm bơm Đồng Bơng đáp ứng nhu cầu tiêu cho khu thị Mỹ Đình Mơ hình MUSIC cơng cụ mạnh giúp hỗ trợ định phục vụ cho công tác quản lý nước mưa MUSIC cung cấp khả tính tốn dịng chảy lan truyền chất ô nhiễm cho phép người sử dụng đánh giá hiệu biện pháp xử lý nước mưa số lượng chất lượng Hơn nữa, MUSIC công cụ lý tưởng để nghiên cứu toán ngập lụt độ thị khả tiêu thoát ứng dụng giải pháp giảm ngập Trên hệ thống tiêu thoát nước khu thị Mỹ Đình khơng có trạm quan trắc Hình 9: Đường trình mưa năm 2012 Kết mô thử nghiệm trận lũ thực tế cho thấy kết trận lũ phản ánh tình hình ngập lụt khu vực nghiên cứu dựa khả tiêu thoát hệ thống Tuy nhiên, để ứng dụng mơ hình MUSIC đạt kết tốt cần có số liệu tài liệu mạng lưới, hệ thơng tiêu khu vực cách chi tiết Ngoài Việt Nam số liệu thực đo lưu lượng để 18 mực nước lưu lượng nên nghiên cứu không tiến hành hiệu chỉnh kiểm định thơng số mơ hình Trong nghiên cứu này, thơng số lấy theo đặc tính loại đất dựa vào nghiên cứu trước thông số đề xuất dựa theo số lưu vực đặc trưng Australia Một số thông số liên quan đến điều kiện ban đầu, ngưỡng sinh dòng chảy bể không thấm ảnh hưởng đến thời đoạn tính tốn ban đầu, tồn lưu vực đạt trạng thái bão hịa ẩm lượng lũ cần tiêu hồn tồn phụ thuộc vào cường độ mưa Thơng số quan trọng mơ hình liên quan đến đặc tính loại đất điều chỉnh theo tài liệu thực tế khu vực nghiên cứu Tỷ lệ diện tích thấm khơng thấm dựa theo đồ trạng sử dụng đất năm 2016, để kết xác cần lựa chọn đồ trạng trùng với thời điểm mơ Hình 10: Mơ đường q trình lũ năm 2012 hiệu chỉnh, kiểm định chưa có nên việc tính tốn cần dựa theo thông tin trạng sử dụng đất, đặc điểm thổ nhưỡng, sơ đồ mạng lưới tiêu thốt, liệu mưa phải xác Điều chứng tỏ cịn nhiều thiếu sót xây dựng quy hoạch thị Cần có nghiên cứu đưa số giải pháp giảm ngập cho khu vực đánh Tạp chí Khoa học Tài nguyên Môi trường - Số 17 - năm 2017 Nghiên cứu giá hiệu giảm ngập, trợ giúp tìm phương án vận hành hệ thống tương lai cho khu vực nghiên cứu Mơ hình MUSIC công cụ mạnh để mô đánh giá biện pháp giảm ngập dùng bể thu trữ nước mưa, tăng diện tích thảm thực vật lát thấm, Do vậy, nghiên cứu tiếp tục đánh giá hiệu giải pháp giảm ngập cho khu thị Mỹ Đình tập trung vào việc hiệu chỉnh kiểm định thông số mơ hình Thơng thường hệ thống kênh mương thường bố trí thước đo mực nước, nhiên liệu chưa thu thập đầy đủ liên tục, công tác thu thập liệu hệ thống tiêu thoát cần quan tâm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chiew, F.H.S., L.B Mudgway, H.P Duncan, and T.A McMahon, (1997) Urban Stormwater Pollution, Industry Report 97/5, Cooperative Research Centre for Catchment Hydrology, July 1997 [2] Tony H.F Wong, Tim D Fletcher, Hugh P Duncan, John R Coleman& Graham A Jenkins, 2002 A Model for Urban Stormwater Improvement Conceptualisation, EWATER, DOI: 10.1061/40644(2002) 115 · Source: OAI [3] Triệu Đức Huy “Bảo vệ nước đất đô thị Việt Nam”Trung tâm Quy hoạch Điều tra Tài nguyên nước Quốc gia [4] K Behzadian, Z Kapelan,G Venkatesh, H Brattebø, S Sægrov, E Rozos ,C Makropoulos,R Ugarelli, J Milina, L Hem (2014) “Urban Water System Metabolism Assessment Using WaterMet2 Model” [5] Phạm Văn Tuấn, (2015) “Áp dụng mơ hình MIKE URBAN tính tốn tiêu thốtnước khu vực nội thành Hà Nội” Tạp chí Tài ngun Mơi trường [6] Macleod, 2008 SCA Penrith office Sydney Catchment Authority Level “Using MUSIC in Sydney’s Drinking Water Catchment [7] Tung, Son Nguyen, 2016 Land use mapping based on multi sensor integration case study Day river in Vietnam (MK27 project), CGIAR Research Program on Water, Land and Ecosystems [8] Công ty TNHH thoát nước Hà Nội,(2015) Hồ sơ thiết kế hệ thống tiêu nước khu thị Mỹ Đình [9] Ủy Ban Nhân Dân phường Mỹ Đình 2,(2015) Báo cáo đặc điểm thổ nhưỡng phường Mỹ Đình BBT nhận bài: Ngày 17/8/2017; Phản biện xong: Ngày 4/9/2017 Tạp chí Khoa học Tài ngun Mơi trường - Số 17 - năm 2017 19 ... Sobek Urban MUSIC [4] Bài báo bước đầu giới thiệu tổng qt mơ hình MUSIC thử nghiệm mơ hệ thống tiêu nước mưa khu thị Mỹ Đình - Hà Nội Kết nghiên cứu tiền đề để phát triển nghiên cứu việc đánh... quản lý nước mưa khu vực đô thị Phần mềm giúp người sử dụng xây dựng mô hệ thống quản lý nước mưa hiệu cho khu đô 12 thị MUSIC cung cấp khả tính tốn dịng chảy lan truyền ô nhiễm sinh từ nước mưa,... thời gian chảy truyền hệ số tổn thất Hình Mơ sơ đồ tính tốn hệ thống tiêu nước khu thị Mỹ Đình MUSIC 16 Tạp chí Khoa học Tài nguyên Môi trường - Số 17 - năm 2017 Nghiên cứu - Thiết lập thông