Trong điều kiện biến đổi khí hậu, các mô hình đã chứng tỏ nếu không có các biện pháp kịp thời thì hệ thống thoát nước sẽ bị quá tải ngay cả với kịch bản phát thải thấp RCP4.5. Thêm vào đó, hai đề xuất với phương pháp thiết kế xanh được mô phỏng cho thấy khả năng giảm lũ với chi phí thấp và bền vững hoàn toàn khả thi.
VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 50-62 Original Article Application of Urban Hydrology Model and Green Design for the Drainage System of Ha Tinh City Nguyen Quang Hung*, Nguyen Thi Lien VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Thanh Xuan, Hanoi, Vietnam Received 15 September 2020 Revised 26 January 2021; Accepted 10 January 2021 Abstract: Ha Tinh is recently awarded the certification of second-class city, along with strong socioeconomic development, meanwhile, infrastructure issues are still a matter required proper investment In the past years, despite being invested to expand and renovate urban drainage systems, floods remain and tend to be more complicated In this study, Mike Urban software with a two-dimensional simulation approach has been applied to Ha Tinh city to identify specific causes of flooding Three scenarios to calibrate and validate model confirmed the correctness and practical ability of the urban hydrological model In the context of climate change, scenarios show that without timely measures the drainage system will be overloaded even with low emission scenarios RCP4.5 In addition, two proposals with green design approach show that it is feasible to reduce floods with low cost and sustainability Keyword: Urban hydrology, inundation, Ha Tinh, green design * * Corresponding author E-mail address: nguyenquanghung@gmail.com https://doi.org/10.25073/2588-1094/vnuees.4682 50 N Q Hung, N T Lien / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 50-62 51 Ứng dụng mơ hình Thủy văn th ị 2D thiết kế xanh cho hệ thống thoát nước thành phố Hà Tĩnh Nguyễn Quang Hưng*, Nguyễn Thị Liên Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 16 tháng năm 2020 Chỉnh sửa ngày 26 tháng 01 năm 2021; Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 02 năm 2021 Tóm tắt: Hà Tĩnh thành phố công nhận đô thị loại hai, với bước phát triển mạnh mẽ kinh tế xã hội vấn đề sở hạ tầng điều cần quan tâm đầu tư mức Trong khoảng năm trở lại đây, đầu tư mở rộng cải tạo hệ thống nước thị tình trạng ngập lụt diễn có chiều hướng phức tạp Mơ hình Mike Urban với cách tiếp cận tính tốn mơ chiều ứng dụng cho thành phố Hà Tĩnh nhằm xác định nguyên nhân cụ thể ngập lụt Ba kịch để hiệu chỉnh kiểm định mơ hình khẳng định tính đắn khả thực tế mơ hình thủy văn thị Trong điều kiện biến đổi khí hậu, mơ hình chứng tỏ khơng có biện pháp kịp thời hệ thống nước bị tải với kịch phát thải thấp RCP4.5 Thêm vào đó, hai đề xuất với phương pháp thiết kế xanh mô cho thấy khả giảm lũ với chi phí thấp bền vững hồn tồn khả thi Từ khóa: Thủy văn đô thị, ngập úng, Hà Tĩnh, thiết kế xanh Mở đầu* Ngập lụt đô thị vấn đề phổ biến đáng quan ngại nhiều quốc gia giới, kể nước phát triển phát triển Dựa liệu từ EM DAT (Emergency Events Database), vòng kỉ qua, số lượng trận ngập lụt thị tồn cầu tăng lên đáng kể, làm ảnh hưởng đến phát triển tất lĩnh vực kinh tế, xã hội môi trường [1] Các giải pháp kỹ thuật (bao gồm tường chắn, hệ thống đê điều, hồ chứa nước, kè đá, bao cát) giải pháp ưu việt để giúp cho mơi trường thị khỏi ngập lụt nhiều kỷ trước Tuy nhiên, kỷ 21, nguy ngập lụt trở nên phức tạp * Tác giả liên hệ Địa email: nguyenquanghung@gmail.com https://doi.org/10.25073/2588-1094/vnuees.4682 nguy hiểm nhiều Trong số trường hợp, giải pháp giải ngập lụt triệt để, chúng thay đổi dòng chảy chuyển rủi ro ngập lụt từ khu vực sang khu vực khác từ tương lai gần sang tương lai xa Việc dòng chảy bị thay đổi đột ngột gây phản ứng tiêu cực đến hệ sinh thái biển môi trường nước Chính vậy, cách tiếp cận dựa vào giải pháp kỹ thuật khơng cịn phương án bền vững chúng chí cịn làm tăng nguy ngập lụt tương lai Để giải hiệu vấn đề cần phải sử dụng mơ hình tính tốn, mơ dự đốn cảnh báo sau đưa phương án đề phòng rủi ro, phòng tránh thiệt hại ngập lụt gây [2] 52 N Q Hung, N T Lien / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 50-62 Các mơ hình thủy văn thị phát triển mạnh khoảng 20 năm trở lại với phát triển công cụ tính tốn tính đảm bảo/đa dạng số liệu đo đạc Từ mơ hình đơn giản “Rational method” với công thức Mulvancy (1851) [3] sử dụng diện tích lưu vực, cường độ mưa tham số dòng chảy C để tính tốn đỉnh lũ, mơ hình phức tạp với hàng chục tham số BEMUS, SWMM, HydroWorks, hay sản phẩm dòng phần mềm Mike DHI [4] Trước đây, giới hạn khả tính tốn, mức độ thu thập số liệu có hạn chế, mơ hình hướng tới tính khả thi thiết kế với tính nhỏ gọn, tính xác thấp, biến đưa vào ít, q trình thủy văn thủy lực mô điều kiện tối giản Cho tới nay, với phát triển mạnh mẽ nhắc tới trên, mơ hình thủy văn thị khơng ứng dụng tính tốn thiết kế ban đầu mà cịn có khả xây dựng thành hệ thống cảnh báo dự báo thời gian thực [5] Khả mơ hình thủy văn thị thời điểm nói đầy đủ, tính tốn từ mơ q trình mưa rơi xuống lưu vực hình thành dịng chảy với q trình thấm, bốc hơi, điền trũng, sử dụng số liệu đầu vào từ trạm đo mưa, từ sản phẩm radar vệ tinh, tự động tính tốn nội suy gán lưu vực với điểm đo mưa khác với trọng số theo điều chỉnh Đối với trình chảy kênh mương cống, mơ hình thủy văn thị tính tốn dịng chảy, mơ cơng trình đơn vị bơm tăng áp, bơm thoát nước, cửa phai, van chiều, van hai chiều, van lật, cửa xả,… Trong thời gian gần có phần mềm phát triển thêm tính tính tốn thiết kế xanh (Low Impact Development), đưa giải pháp thay đổi bề mặt thảm phủ lưu vực mơ hình Đặc biệt, phát triển mơ hình thủy văn thị từ giới hạn tính tốn chiều (1D) có khả mơ hình thành dịng chảy tiểu lưu vực dòng chảy kênh mương, cống hộp, cải tiến mức hai chiều giả lập (1D-1D) đường phố đô thị thiết lập hệ thống mương hở để biểu diễn dịng chảy tràn đường phố cuối hai chiều hoàn chỉnh (2D) để thể tình trạng ngập lụt tồn lưu vực tính tốn dịng chảy tràn từ lưu vực khác đổ vào [6] Các sản phẩm mơ hình thủy văn thị thừa nhận rộng rãi, giải pháp chi phí thấp cơng cụ có độ xác, có sở khoa học, đó, việc áp dụng mơ hình vào thiết kế, vận hành hệ thống nước cho thành phố ngày trở nên rộng rãi Khơng dừng lại tính tốn thủy văn thủy lực, mơ hình thủy văn thị có đầy đủ tính để ứng dụng lĩnh vực chất lượng nước [7] Các trình vận chuyển bùn cát hệ thống nước, q trình tự làm q trình chuyển hóa sinh học nước thải mô đầy đủ xác mơ hình, giúp cho nhà nghiên cứu đánh giá tình trạng nhiễm nước thị, lan truyền chất bẩn hệ thống nước đánh giá khả tiếp nhận chất thải nguồn tiếp nhận (sông, hồ) Trong nghiên cứu cơng bố, mơ hình thủy văn thị sử dụng để tìm đường ống bị q tải, từ khơng áp trở thành có áp dẫn đến tượng nước trào ngược khỏi hố ga chảy tràn đường [8], mô hình chứng tỏ khả tính tốn trường hợp nước mô tương tác nước triều dâng với hệ thống thoát nước thành phố ven biển [9] hay hoạt động hệ thống bơm lưu vực mà biện pháp thoát nước chủ yếu cưỡng [10] Tác động bề mặt thảm phủ nghiên cứu, từ thay đổi kích thước, độ chi tiết bề mặt thảm phủ [11], tới ứng dụng thiết kế xanh việc lưu trữ nước mưa lại bề mặt [12], trình vận chuyển bùn cát đường ống tính tốn đến [7] Khu vực nghiên cứu Thành phố Hà Tĩnh trải dài từ 18°18’ đến 18°24’ vĩ Bắc từ 105°53’ đến 105°56’ kinh đông, nằm trục đường Quốc lộ 1A, cách thủ đô Hà Nội 340 km, thành phố Vinh 50 km N Q Hung, N T Lien / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 50-62 phía Bắc; cách thành phố Huế 314 km phía Nam cách biển Đơng 12,5 km có đường quốc lộ số 1A, đường tránh thành phố kênh dẫn nước tưới tiêu từ hồ Kẻ Gỗ tạo thành hệ thống đê bao thứ hai, nên hồ Kẻ Gỗ xả lũ vào mùa mưa phía Tây kết hợp với triều cường lên phía Đơng thành phố phải đóng hệ thống ngăn chiều dẫn đến tượng ngập úng nội đồng bên thành phố Lũ từ thượng lưu đổ nói chung khơng ảnh hưởng tới thành phố Hà Tĩnh mà ngập chủ yếu nguyên nhân cục mưa bão đổ vào thành phố gây Hà Tĩnh có lượng mưa năm phong phú, lượng mưa trung bình năm đạt từ 2.300 3.000 mm Những vùng mưa lớn Kỳ Lạc, Kỳ Anh lượng mưa đạt 3.220 mm Những tâm mưa lớn thượng nguồn sông Ngàn Phố, Ngàn Sâu, Rào Trổ, Hồnh Sơn có năm lượng mưa năm đạt 4.586 mm năm 1978 Bàu Nước, 4.386 mm Kỳ Anh năm 1990, 4.450 mm năm 1990 Kỳ Lạc Hình Khu vực nghiên cứu - thành phố Hà Tĩnh Thành phố Hà Tĩnh nằm vùng đồng ven biển miền Trung, địa hình tương đối phẳng, cao độ biến thiên từ +0,5 m đến +3,0 m Địa hình thành phố thấp dần từ Tây sang Đơng Phía Tây thành phố hồ Kẻ Gỗ, phía Đơng thành phố bao quanh hệ thống đê sơng Nghèn sơng Rào Cái, phía Tây thành phố XU THẾ BIẾN ĐỔI LƯỢNG MƯA NGÀY LỚN NHẤT TẠI TRẠM HÀ TĨNH XU THẾ BIẾN ĐỔI LƯỢNG MƯA NGÀY LỚN NHẤT TẠI TRẠM HÀ TĨNH 700 1000 900 800 Lượng mưa (mm) 500 400 300 200 700 600 500 400 300 200 100 100 XU THẾ BIẾN ĐỔI LƯỢNG MƯA NGÀY LỚN NHẤT TẠI TRẠM HÀ TĨNH 1400 Lượng mưa (mm) 1200 1000 800 600 400 200 2009 2006 2003 2000 1997 1994 1988 1985 1982 1979 1976 1973 1970 1967 1964 1961 1958 (c) Hình Xu biến đổi lượng mưa (a), b), (c) ngày lớn trạm Hà Tĩnh 2015 2012 2009 2006 2003 2000 1997 1994 1991 1988 1985 1979 1982 1976 2015 1973 2012 1970 1967 1964 (b) 1961 1958 2012 2015 2006 2009 2000 2003 1994 1997 1988 1991 1982 1985 1976 1979 1970 1973 1964 1967 1958 1961 1991 Lượng mưa (mm) 600 (a) 53 54 N Q Hung, N T Lien / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 50-62 Hình Ngập lụt đường Nguyễn Du (trái) Lê Ninh (phải) trận mưa ngày 24/4/2015 Mùa mưa tháng VIII tới tháng XI, nhiên tháng V, VI có mưa tiểu mãn gây lũ tiểu mãn Lượng mưa mùa mưa đạt 65 - 70% lượng mưa năm, cịn lại mùa khơ Hà Tĩnh hàng năm thường bị ảnh hưởng trực tiếp bão, áp thấp nhiệt đới, dông lốc, nước dâng bão Hà Tĩnh nằm khu vực Trung bộ, năm thường xuyên chịu tác động trực tiếp ảnh hưởng bão đổ vào lãnh thổ Việt Nam Theo phân tích thống kê số liệu từ năm 1975 đến 2016, có 58 bão đổ ảnh hưởng trực tiếp đến ven biển Hà Tĩnh Bão thường xuất từ tháng đến tháng 10, có năm tỉnh phải chịu ảnh hưởng trận bão (1971) Trong 10 năm trở lại lượng mưa 1, 3, ngày lớn Hà Tĩnh có xu hướng tăng đáng kể Trong 10 năm có năm có lượng mưa ngày lớn 200 mm, chủ yếu vào năm gần từ 2015 ÷ 2017 Trong năm 2010 2016 lượng mưa ngày lớn đạt 455,6 mm 445,8 mm, lượng mưa ngày lớn đạt 870 mm lượng mưa ngày lớn đạt 930 mm (Hình 2) Hiện tượng ngập úng Thành phố Hà Tĩnh xảy ngày thường xuyên Những năm gần đây, hàng năm xảy ngập úng sau trận mưa, có năm năm 2016, thành phố phải đón nhận ÷ lần ngập lụt mùa mưa Năm 2001, diện tích ngập thị xã Hà Tĩnh từ 105 ÷ 146 ha, năm ngập từ ÷ lần với thời gian ngập lụt từ ÷ Độ sâu ngập cao 0,6m, trung bình ngập từ 0,4 ÷ 0,5 m Năm 2010, khu vực thành phố diện tích ngập ứng với mức độ ngập từ 0,5-1 m; từ 1-1,5 m; từ 1,5-2 m từ 2-2,5 m 12,6 km2, 10,8 km2, 11,5 km2 7,3 km2 Năm 2015, tuyến đường trung tâm bị ngập từ 0,2 ÷ 0,4 m, tuyến đường ngập sâu Xô Viết Nghệ Tĩnh, Nguyễn Du, Lê Ninh, Hải Thượng Lãn Ông Nguyễn Thị Minh Khai Cùng năm đợt mưa tháng 9/2015 gây ngập với độ sâu ngập từ 0,2 ÷ 0,5 m với độ sâu ngập lớn tuyến Nguyễn Du, Lê Ninh Hải Thượng Lãn Ơng (Hình 3) Năm 2016, từ tháng đến cuối tháng 11 có lần ngập, trận mưa lớn từ ngày 13 - 16/10/2016 khiến TP Hà Tĩnh ngập sâu Một số điểm như: đoạn đường Trần Phú từ ngã ba Phan Đình Phùng đến ngã tư Vũ Quang, đoạn đường phía Tây Bệnh viện Đa khoa tỉnh, sau mưa lớn ngập đến 0,4 m, Nguyễn Du, Hải Thượng Lãn Ơng, Nguyễn Cơng Trứ, Trần Phú,… bị ngập sâu gần m Phương pháp tiếp cận mơ hình Mike Urban Đối với vấn đề thủy văn đô thị, việc sử dụng mơ hình trở nên phổ biến khoảng 20 năm trở lại gần Bắt đầu từ phương pháp tiếp cận mơ hình chiều (1D), bao gồm q trình thủy văn (mưa - dịng chảy) q trình thủy lực kênh mương hở cống có áp hoặc/và khơng có áp, dịng chảy coi chiều, trình thủy động lực học xét dòng chảy tràn lên mặt đất khơng tính tốn đến [1] Đối với mơ hình thủy văn thị 1D, trường hợp khơng có nước tràn lên khỏi miệng hố ga, hay nói cách khác khơng xảy tình trạng ngập lụt N Q Hung, N T Lien / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 50-62 mơ hình chấp nhận Trong trường hợp có xảy ngập, mơ hình xác định điểm (hố ga) mà nước vận chuyển cống trào ngược lên mặt đất (Hình 4) Để tính tốn mơ phần dòng chảy tràn ngược lên bề mặt, chun gia mơ hình bổ sung thêm nút ảo, lưu trữ phần nước trào ngược lên nút chứa Rõ ràng bán kính nút chứa nước khơng thể xác diện tích mặt phủ thực tế, thơng thường mực nước nút chứa ảo tạm coi mức nước gây ngập thường cao so với giá trị đo đạc thực tế Trong thành phố thị hóa mạnh thành phố nước phát triển, thành phần tính chất lớp bề mặt thảm phủ đơn giản, chiếm phần lớn đường bê tông, tạo xu hướng tiếp cận tạo thêm lớp chiều bao gồm kênh mương hở với kích thước đường phố, kết nối với lớp mơ hình chiều đường ống nước phía (Hình 5) Hình Các q trình mơ tiếp cận mơ hình thủy văn thị chiều 55 Hình Các q trình mơ tiếp cận mơ hình thủy văn thị chiều kết nối chiều Có thể thấy rõ ràng trường hợp ngập vừa nhỏ, nước chủ yếu chảy đường phố, cách tiếp cận 1D-1D hợp lý Tuy nhiên phù hợp với nước tiên tiến tính chất bề mặt thảm phủ thị đơn giản đồng nhất, với lượng mưa gây ngập vừa nhỏ Do cách tiếp cận hai chiều (2D) đặt việc giải tốn thủy văn thị Trong cách tiếp cận này, phần nước tràn lên khỏi miệng cống tính tốn hai chiều với cao độ thực bề mặt đất Trong cách tiếp cận này, rõ ràng số liệu để triển khai mơ hình phụ thuộc nhiều vào lớp đồ DEM, chi tiết tính tốn dịng chảy tràn bề mặt xác Phương pháp cho phép tính tốn xác dòng chảy cống dòng chảy tràn bề mặt, có tính tới trường hợp nước chảy tràn bề mặt lại tiếp tục đổ xuống cống lưu lượng nước cống hạ thấp xuống (Hình 6) Trong nghiên cứu này, phương pháp tiếp cận mơ hình chiều kết nối với mơ hình chiều lựa chọn, phần mềm Mike Urban sử dụng để làm công cụ mô Thông tin mơ hình Mike Urban tìm thấy dễ dàng tài liệu DHI [4] Thiết lập mơ hình thủy văn thị cho thành phố Hà Tĩnh 4.1 Thu thập xử lý số liệu Hình Các q trình mơ tiếp cận mơ hình thủy văn thị chiều kết nối chiều Số liệu mưa bốc thu thập từ tra ̣m đo khí tươ ̣ng Hà Tĩnh, dựa chuỗi số liệu mưa 56 N Q Hung, N T Lien / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 50-62 giờ, đường cong IDF mưa Hà Tĩnh xây dựng lại (Hình 7) Hình Đường cong IDF mưa Hà Tĩnh Bản đồ DEM xây dựng dựa nguồn ảnh LIDAR, nguồn đồ địa chính, đồ sử dụng đất, đồ kỹ thuật số liệu khảo sát bổ sung, lớp nhà đường số hóa theo đồ google map, tất xử lý GIS chồng lớp thu đồ DEM với độ phân giải 10x10 m Hình Hệ thống nước thành phố Hà Tĩnh với tuyến thoát nước gồm 40 tuyến kênh/cống dọc đường giao thông, tuyến đường thành phố, thu thập đồ AutoCAD Công ty Cổ phần Mơi trường Cơng trình thị Hà Tĩnh (Urenco Hà Tĩnh) đợt khảo sát bổ sung, số hóa vào sở liệu Mike Urban Tồn hệ thống nước đưa vào mơ hình tạo thành 322 đoạn cống tròn, 618 đoạn cống hộp 31 đoạn kênh hở, với kích thước dao động cống trịn có cỡ D600, D700, D800 D1000 (mm); cống hộp kích cỡ lớn 2500x1400 (mm) tuyến kênh tiêu T3, kích cỡ nhỏ 400x600 (mm) tuyến đường 26/3 Hệ thống hố ga, hồ điều hòa, cửa xả mô gồm 838 hố ga dọc tuyến cống, hồ điều hòa lớn, 45 cửa xả hệ thống đổ sông bao quanh thành phố khu vực Hào Thành Hình minh họa đường cống thoát nước dày đặc khu đô thị Sông Đà hệ thống mương hở khu vừa Hào Thành đổ sông mô mơ hình Mike Urban Hình Phương pháp xử lý DEM kết đồ DEM 10x10 m thành phố Hà Tĩnh Hình Minh họa phần hệ thống đường cống thoát nước thành phố Hà Tĩnh - khu đô thị sông Đà khu Hào Thành Tồn khu vực phục vụ nước thành phố Hà Tĩnh (có kết nối với hệ thống cống thu gom nước mưa nước thải) chia làm 840 lưu vực tính tốn, dựa cơng cụ phân chia lưu vực mơ hình tn theo nguyên tắc: dòng chảy từ nơi cao xuống nơi thấp, hố ga điểm tập trung nước, sử dụng liệu đồ DEM, hệ thống cống, đường giao thông, sông hồ thành phố Hình 10 thể tồn lưu vực tính tốn, tiếp nhận nước thải nước mưa đổ vào hệ thống thu gom thành phố (trái), chi tiết khu vực xung quanh Hào Thành (phải) N Q Hung, N T Lien / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 50-62 Bảng Phần trăm không thấm nước ban đầu theo lớp tính tốn Lớp liệu Nhà Đường giao thông Khu vực xanh Phần trăm không thấm (%) 100 75 10 Mơ hình tính tốn đưa thông số ban đầu tiểu lưu vực tính tốn gồm: thời gian tập trung nước, hệ số tổn thất ban đầu, phần trăm diện tích khơng thấm (Bảng 1), hệ số triết giảm dịng chảy, sử dụng phương pháp 57 tính Thời gian - Diện tích để tính tốn cho mơ hình Mưa - Dòng chảy riêng cho tiểu lưu vực Các hệ số điều chỉnh thủ công dựa theo thơng tin đồ địa chính, đồ sử dụng đất thông tin thực địa trường 4.2 Xây dựng mơ hình Thủy văn thị Trong nghiên cứu trình bày kịch có kết sở để đưa kết luận nghiên cứu Các kịch thống kê Bảng Hình 10 Tồn lưu vực tính tốn (trái) chi tiết khu vực Hào Thành (phải) Bảng Số liệu trận mưa đưa vào kịch tính tốn Số liệu thời gian mưa Tổng lượng mưa (mm) Mưa max (mm/h) Tần suất lặp lại tương ứng KB1 - Hiệu chỉnh mơ hình 23-24/4/2015 432,1 54,1 (5h, 23/4) năm KB2 - Kiểm định mơ hình 16/9/2015 185,5 61,4 (5h,16/9) năm KB3 - Hiện trạng 2016 13-15/10/2016 632,4 96,7 (20h,14/10) năm KB4 – BDKH RCP4.5_giữa thời kỳ 13-15/10/2016 819,3 185,1 100 năm KB5 – BDKH RCP4.5_cuối thời kỳ 13-15/10/2016 838,2 141,6 20 năm KB6 – BDKH RCP8.5_giữa thời kỳ 13-15/10/2016 1068,2 297,3 100 năm KB7 – BDKH RCP8.5_cuối thời kỳ 13-15/10/2016 1010,3 226,9 100 năm KB8 – LID 50 13-15/10/2016 632,4 96,7 năm KB9 – LID 70 13-15/10/2016 632,4 96,7 năm Tên kịch N Q Hung, N T Lien / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 50-62 58 Kịch 1, sử dụng để hiệu chỉnh kiểm định mơ hình, kịch 4, 5, 6, sử dụng với hai kịch biến đổi khí hậu (BDKH) RCP4.5 RCP8.5 cho hai thời kỳ cuối Cuối hai kịch sử dụng điều kiện thành phố ứng dụng thiết kế xanh để giảm thiểu lưu lượng dòng chảy, giãn cách thời gian tập trung nước, cải tạo tình hình ngập lụt cho thành phố Kịch 1: hiệu chỉnh mơ hình với trận mưa ngày 23-24 tháng năm 2015 - Trận mưa ngày 23/4/2015 đến 24/4/2015 trận mưa ngày 16/9/2015 đến 17/9/2015 hai trận mưa lớn, gây úng ngập tuyến phố Công ty cổ phần Mơi trường Cơng trình thị Hà Tĩnh đo đạc, báo cáo cụ thể nên chọn để hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình Dựa số liệu đo vết ngập Công ty, Bảng đưa kết đánh giá mức độ chênh lệch giá trị thực đo với giá trị mơ hình tính tốn tuyến đường ngập lụt trận ngập ngày 23/4/2015 gây Độ chênh lệch mực nước ∆H = 0,05 ÷ 0,2m Kết thực đo tính tốn tương đối phù hợp mức chấp nhận độ sâu ngập vị trí ngập Bảng Kết độ sâu ngập lớn số vị trí điển hình trận ngập 23/4/2015 STT Đường Xô Viết Nghệ Tĩnh Nguyễn Công Trứ 10 11 Phan Đình Phùng Khu thị Sơng Đà Lê Duẩn Nguyễn Du Vị trí (2 bên đường) Từ 1A đến đường Lê Ninh Huy Tự đến ngã tư Nguyễn Công Trứ Đường Lê Ninh Hải Thượng Lãn Ông Từ 1A-> Cổng Bệnh viện Ngã tư giao đường Nguyễn Công Trứ Nguyễn Thị Minh Khai Ngã tư Phan Đình Phùng đến Xô Viết Nghệ Tĩnh Độ sâu ngập thực đo (m) Độ sâu ngập lớn tính tốn (m) 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,35 0,2 0,56 0,45 0,45 0,39 0,42 0,32 0,3 0,3 0,4 0,2 0,2 0,3 0,3 0,3 0,35 Bảng Kết độ sâu ngập lớn số vị trí điển hình trận ngập ngày 16/9/2015 STT Đường Xơ Viết Nghệ Tĩnh Nguyễn Du Vị trí Từ Khách sạn Sallig đến Sở Kế hoạch Từ Tòa nhà Viettel đến ngã tư Nguyễn Công Trứ Đoạn từ đường Trần Phú đến đường Lê Ninh Huy Tự đến ngã tư Nguyễn Công Trứ Đường Lê Ninh Hải Thượng Lãn Ông Nguyễn Thị Minh Khai Khu đô thị Sông Đà Từ 1A-> Cổng Bệnh viện Ngã tư giao với đường Nguyễn Công Trứ Độ sâu thực đo (m) 0,4 0,4 0,4 0,5 0,5 0,5 0,5 0,2 0,25 Độ sâu ngập lớn tính tốn (m) 0,5 0,5 0,35 0,45 0,6 0,4 0,45 0,4 0,3 N Q Hung, N T Lien / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 50-62 Hình 11 Hình minh họa mô mức ngập lớn trận mưa ngày 23-24 tháng năm 2015 Hình 12 Hình minh họa mơ mức ngập lớn trận mưa ngày 16 tháng năm 2015 Kết hiệu chỉnh mơ hình với điểm quan trắc tốt thơng số mơ hình giữ ngun tiến hành kiểm định với trận mưa ngày 16 tháng năm 2015 Kịch 2: kiểm định mơ hình với trận mưa ngày 16 tháng năm 2015 Dựa kết kiểm định mơ hình độ chênh mực nước lớn điểm đo đạc dao động khoảng 0,05-0,1 m, tốt trường hợp hiệu chỉnh tháng năm 2015 Các vị trí ngập quan trắc xuất ngập mơ hình Kịch 3: trận mưa 13-15 tháng 10 năm 2016 Trận mưa ngày 13-15/10/2016 khu vực thành phố Hà Tĩnh trận mưa lớn kéo 59 dài hai ngày, với tổng lượng mưa 600 mm, gây ngập diện rộng hầu hết tuyến đường trung tâm với độ sâu ngập phổ biến khoảng 0,5 m Sử dụng mơ hình hiệu chỉnh kiểm định với trận mưa lớn để đánh giá giới hạn mơ mơ hình Kết mức ngập lớn thể Hình 13 Có thể thấy rõ xuất thêm nhiều tuyến phố bị ngập, nhiều chỗ ngập lên tới gần m Theo dõi diễn biến ngập cho thấy ban đầu tuyến cống tuyến đường Xơ Viết Nghệ Tĩnh nước tốt, nước lên rút xuống lượng mưa tăng thời gian mưa kéo dài, mực nước bắt đầu tăng nhanh rút chậm đến h sáng ngày 15/10 nước rút gần hết Nhìn chung trận mưa ngày 16-17/9/2015 trận mưa lớn toàn tỉnh Hà Tĩnh, nước sông lên cao gây ngập lụt cho tuyến đường lớn thành phố Hà Tĩnh trận mưa ngày 2324/5/2015 Hai trận mưa đảm bảo yếu tố thời gian xuất gần (trong năm 2015) Ngoài ra, tài liệu địa hình mạng lưới tiêu nước tài liệu cập nhật năm Điều đảm bảo tính xác logic thiết lập mơ củng cố giả thuyết q trình hiệu chỉnh, kiểm định thực với thơng số Kết mơ hình cho thấy xuất vị trí úng ngập đường trùng với kết khảo sát hai trận mưa sử dụng để hiệu chỉnh kiểm định mơ hình, kết mức độ úng ngập tuyến đường từ mơ hình sát với giá trị thực đo Kết hiệu chỉnh kiểm định mơ hình cho thấy thông số thủy văn, thủy lực chiều, chiều mơ hình tài liệu địa hình xử lý phù hợp, sử dụng Kịch 4, 6: BDKH theo kịch RCP4.5 RCP8.5 thời kỳ kỷ: Trận mưa theo kịch BDKH RCP4.5 thời kỳ kỷ có lưu lượng mưa max lên tới 185,1 mm/h, kết tính toán cho kịch RCP4.5 thời kỳ kỷ cho thấy hầu hết tuyến đường ngập phổ biến khoảng 0,5 m Các điểm ngập sâu tuyến đường Nguyễn Du, Lê Ninh, Hải Thượng Lãn Ơng, Lê Duẩn, Nguyễn Cơng Trứ, với độ ngập nhiều 60 N Q Hung, N T Lien / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 50-62 nơi khoảng 0,8-0,9 m Xuất thêm nhiều tuyến đường ngập mới, hệ thống tiêu thoát nước khoảng gần 24 tiếng để trở lại trạng thái ban đầu Hình 14 thể đồ ngập lớn trường hợp kịch Hình 16 Hình minh họa mơ mức ngập lớn kịch BDKH RCP4.5 thời kỳ cuối kỷ Hình 13 Hình minh họa mơ mức ngập lớn trận mưa 13-15 tháng 10 năm 2016 Hình 17 Hình minh họa mô mức ngập lớn kịch BDKH RCP8.5 thời kỳ cuối thời kỳ Hình 14 Hình minh họa mô mức ngập lớn kịch BDKH RCP4.5 thời kỳ kỷ Hình 15 Hình minh họa mô mức ngập lớn kịch BDKH RCP8.5 thời kỳ kỷ Tương tự vậy, trận mưa theo kịch BDKH RCP8.5 thời kỳ kỷ, lưu lượng mưa cực đại lên tới 297,3 mm/h gây ngập nặng toàn thành phố (Hình 15) Kịch 5, 7: BDKH theo kịch RCP4.5 RCP8.5 thời kỳ cuối kỷ: Cả kịch 4, 5, 6, khẳng định trường hợp biến đổi khí hậu diễn với mức nồng độ khí nhà kính trung bình thấp hay mức nồng độ khí nhà kính trung bình cao gây tượng tải cho hệ thống nước trạng, ngập lụt tăng mạnh Phân tích thêm trường hợp kịch 1, cho thấy, tồn thành phố có tới gần 40 tuyến đường bị ngập, khu dân cư xây nằm tình trạng ngập cục bộ, 2/3 đường ống thu gom vận chuyển hoạt động tình trạng có áp N Q Hung, N T Lien / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 50-62 thiết kế đường ống chảy không đầy Điều khẳng định nguyên nhân việc ngập lụt trạng thoát nước gồm hai hệ thống không đồng cũ mới, hệ thống cũ với kích thước đường ống q nhỏ, độ sâu chơn cống thay đổi nhiều theo thời gian nên dẫn đến khơng cịn đủ lực để nước Kết nối hệ thống cũ hệ thống chưa tốt, kết nối khu vực không đảm bảo dẫn đến tình trạng ngập úng 61 cục bộ, đặc biệt khu vực đô thị sông Đà liên tục ngập nặng ngun nhân nước khơng vận chuyển sang lưu vực để sơng Mơ hình rõ tuyến nước có khả phục vụ tiêu tuyến T4 từ trung tâm chảy hướng Vạn Hạnh, Thạch Trung, tuyến T3 từ trung tâm thoát cửa xả Đập Vịt, Thạch Linh, cuối tuyến T1 cửa xả Đập Bột Bảng So sánh diện tích ngập kịch KB3, KB8 KB9 (đơn vị ha) Kịch Hiện trạng 2016 KB8 KB9 0-0,2 353,6 268,33 152,21 0,2-0,4 217,6 163,7 94,35 0,4-0,6 120,2 90,37 52,14 Diện tích ngập theo mức (m) 0,6-0,8 0,8-1 1-1,2 1,2-1,4 58,3 31,98 14,47 3,75 42,14 22,92 9,31 2,28 26,11 13,45 6,54 1,69 Căn kết mô diễn biến q trình ngập lụt, nhóm tác giả đưa số giải pháp thành phố Hà Tĩnh gồm: - Xây số tuyến cống thoát nước, nối thông khu vực lại với để đảm bảo tiểu khu độc lập làm việc chung để giảm tải lẫn - Các cơng trình hạ tầng xây dựng cần phải kết nối với hệ thống nước chung, tránh tình trạng xả thải bừa bãi vào hệ thống cụt - Ứng dụng lý thuyết thiết kế xanh, thay đổi bề mặt thảm phủ, tăng khả thấm đất, tăng thời gian tập trung nước, trữ nước bề mặt, giảm tải cho hệ thống thoát nước - Lắp đặt hệ thống trạm bơm để vận chuyển nước mưa cưỡng bức, đặc biệt cửa xả sông Rào Cái ln vận hành theo ngun tắc đóng có mưa để tránh nước sông tràn ngược vào hệ thống - Xây dựng thêm hệ thống chứa tạm thời, ao hồ, khơi rộng kênh mương hở, tăng sức chứa nước tạm thời Với đề xuất này, kịch mô với điều kiện thay đổi thảm phủ thiết kế xanh thay đổi tính chất bề mặt thảm phủ, tăng diện tích thấm khả trữ nước khu vực thường xuyên bị ngập lụt lên 50 70%, với trận mưa đại diện tháng 10 >1,4 2,07 1,72 0,92 Tổng 801,97 600,77 347,41 năm 2016 Cụ thể, thiết kế xanh áp dụng gồm biện pháp đặt thêm vườn nhỏ tăng khả thấm nước mưa vào đất, hệ thống vỉa hè xanh vật liệu lỗ rỗng cho phép nước mưa thấm xuống đất thay tạo thành dịng chảy mặt, nạo vét hồ chứa để tăng sức chứa nước mưa Các biện pháp nhắm đến mục tiêu giảm lượng nước mưa chuyển đổi thành dòng chảy cống bề mặt lưu vực Kết phân tích diện ngập cho thấy có cải thiện đáng kể (Bảng 5) Như thấy, kết hợp với biện pháp xanh, mức ngập giảm đáng kể, có tính bền vững hồn tồn khơng phải tác động đến hệ thống nước thị Tuy nhiên, đặc thù cốt thành phố thấp, bao bọc đê bao, ảnh hưởng triều, để đảm bảo hiệu tính bền vững, biện pháp phải kết hợp với biện pháp khác, đặc biệt sử dụng bơm cưỡng đưa nước lưu vực kết nối thông suốt lưu vực với Kết luận Mơ hình thủy văn thị với tiếp cận chiều hoàn toàn ứng dụng thành phố Hà Tĩnh, mơ diễn biến mưa, hình thành dịng chảy, hoạt động cơng trình đơn 62 N Q Hung, N T Lien / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 50-62 vị điều kiện ảnh hưởng triều Các kịch triển khai thể rõ điểm nguy hiểm ngập lụt, nguyên nhân chủ yếu vấn đề hệ thống nước khơng đồng tải, khu vực xây dựng chưa quy hoạch thống vào hệ thống chung, vận hành hệ thống chưa tối ưu (đóng xả khơng có bơm nước) Hai kịch đề xuất tương ứng với hai phương án thiết kế xanh tính tốn cho thấy mức ngập giảm tương đương khoảng 70% 45% diện tích ngập Tuy nhiên cần có điều tra tính tốn cụ thể phương án tài để khẳng định tính ưu việt phương án so với phương án cơng trình Tài liệu tham khảo [1] K J Abhas, R Bloch, L Jessica, Cities and Flooding: A Guide to Integrated Urban Flood Risk Management Fotor the 21st Century, Washington, DC: World Bank Group, 2012 [2] N Q Hung, W Sutat, W Uruya, C Chavalit, O Mark, M C Larsen, A Real‐Time Hydrological Information System for Cities, Water Encyclopedia, John Wiley & Sons, Inc 2005, ISBN: 9780471441649 [3] W T Chow, Open-channel Hydraulics, Blackburn Press, 2009 - ISBN-13: 978-1932846188 [4] DHI Manual, https://manuals.mikepoweredbydhi.help/2017/MI KE_Urban.htm (accessed on: September 14th, 2020) [5] CARE-S Work Package 3, State of The Art In Urban Drainage Modelling Report: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] =10.1.1.117.2668&rep=rep1&type=pdf (accessed on: September 14th, 2020) C C Obropta, J S Kardos, Review of Urban Stormwater Quality Models: Deterministic, Stochastic, and Hybrid Approaches, Journal of The American Water Resources Association, Vol 43, No 6, 2007, pp 1508-1523 D Allen, V Olive, S Arthur, H Haynes, Urban Sediment Transport Through an Established Vegetated Swale: Long Term Treatment Efficiencies and Deposition, Water, Vol 7, 2015, pp 1046-1067 A E K Vozinaki, G G Morianou, D D Alexakis, I K Tsanis, Comparing 1D and Combined 1D/2D Hydraulic Simulations Using High-Resolution Topographic Data: A Case Study of the Koiliaris Basin, Greece, Hydrological Sciences Journal, Vol 62, No 4, 2017, pp 642-656 N Q Hung, N P Tho, Application of 2d Hydrological Model For Urban Coastal Area - A Case Study in Ninh Kieu, Can Tho, Vietnam Journal of Hydrometeorology, The 2nd Conference on Earth-Mine-Environment, pp 155-163, ISSN 2525-2208 (in Vietnamese) O Mark, W Sutat, A Chusit, B Surajate, S Djordjević, Potential and Limitations of 1D Modeling of Urban Flooding, Journal of Hydrology, Vol 299, No 3-4, 2004, pp 284-299 T Kokkonen, L Warsta, T J Niemi, M Taka, S Nora, P Mikko, O Kesäniemi, S Heidi, K Harri, Impact of Alternative Land Cover Descriptions on Urban Hydrological Model Simulations, Urban Water Journal, 2019 T Cui, L Yuqiao, W Yintang, Choosing the LID for Urban Storm Management in the South of Taiyuan Basin by Comparing the Storm Water Reduction Efficiency, Water, Vol 11, No 12, 2019, hppts://doi.org/10.3390/w11122583 ... 50-62 51 Ứng dụng mơ hình Thủy văn th ị 2D thiết kế xanh cho hệ thống thoát nước thành phố Hà Tĩnh Nguyễn Quang Hưng*, Nguyễn Thị Liên Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội... thống đường cống thoát nước thành phố Hà Tĩnh - khu đô thị sông Đà khu Hào Thành Toàn khu vực phục vụ nước thành phố Hà Tĩnh (có kết nối với hệ thống cống thu gom nước mưa nước thải) chia làm 840... đô thị Sông Đà hệ thống mương hở khu vừa Hào Thành đổ sông mơ mơ hình Mike Urban Hình Phương pháp xử lý DEM kết đồ DEM 10x10 m thành phố Hà Tĩnh Hình Minh họa phần hệ thống đường cống thoát nước