7. Bố cục của luận án
1.3 Tổng quan các nghiên cứu về hồ điều hòa
1.3.1 Trên thế giới
Kiểm soát ngập úng tại các đô thị đang trở nên ngày một thách thức đối với các đô thị đang phát triển [18]. Trong điều kiện biến đổi khí hậu, tình hình càng nghiêm trọng
24
hơn [19] [20]. Thực tế ngập úng tại các đô thị đã gây nhiều tổn thất cả về kinh tế và nhân mạng đối với nhiều đô thị trên thế giới.
Tình hình ngày một nghiêm trọng hơn khi đô thị hóa và công nghiệp hóa làm thay đổi cơ cấu sử dụng đất đã phát sinh nhiều tác động tiêu cực như thay đổi chu trình thủy văn, dòng chảy gây nên hạn hán và úng ngập, ô nhiễm môi trường ...[21] [22] [23] [24] [25]. Trong các tác động tiêu cực đó, việc thay đổi chế độ thủy văn làm gia tăng úng ngập tại các đô thị là tác động nghiêm trọng nhất [26] [27]. Vì vậy, kiểm soát ngập úng, phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai tại các đô thị đang trở thành một trong những chủ đề nóng trong những năm gần đây [28] [29]. Thực tế cho thấy việc tiếp cận kiểm soát ngập úng tại các đô thị trong điều kiện biến đổi khí hậu và sự gia tăng nhanh chóng công nghiệp hóa, đô thị hóa theo phương thức truyền thống như hiện nay đang trở nên không hiệu quả [30] [31] [32] [33]. Việc tiếp cận theo phương pháp truyền thống (theo mô hình đầu những năm 70 của thế kỷ 20) bằng việc thoát ngay lập tức toàn bộ lượng nước cần tiêu đang cho thấy không hiệu quả cả về kỹ thuật lẫn kinh tế. Trái lại, với việc trữ lại một phần hay toàn bộ lượng nước mưa và tiêu thoát sau đó hay sử dụng cho các mục đích khác nhau đang là các ưu tiên nghiên cứu trên thế giới hiện nay [34]. Hiện tại việc kiểm soát dòng chảy ngay từ đầu nguồn bằng việc trữ lại lượng nước này tại các bể chứa là một trong những cách tiếp cận rất hiệu quả tại các nước phát triển [35] [36].
Tiếp cận này cũng đã được Xingqi Zhang nghiên cứu tại thành phố Namninh, Trung Quốc [12] [37]. Để giảm ngập úng cho thành phố, cần thiết phải giảm dòng chảy mặt ngay từ đầu nguồn thông qua việc trữ lại một phần lượng nước mưa để sử dụng cho các mục đích khác nhau. Tiềm năng về lợi ích của biện pháp trữ nước từ đầu nguồn sinh thủy ngoài việc trữ nước cho việc sử dụng tổng hợp còn có lợi ích không nhỏ về việc giảm ngập úng, giảm áp lực của hệ thống thoát nước đô thị, giảm sự hủy hoại của các công trình hạ tầng do dòng chảy tràn mặt cũng được nhiều tác giả ghi nhận [38] [39] [22]. Việc điều tiết ngập úng ngay từ nguồn còn được quan tâm nghiên cứu thông qua việc sử dụng mái nhà trồng cây xanh, thân thiện môi trường như là một giải pháp có tính thực tiễn để trợ giúp cho kiểu sử dụng nước một cách thông minh [40].
25
Một tiếp cận theo hướng phân tán các HĐH cũng được nghiên cứu bằng phương pháp mô hình vật lý trong phòng thí nghiệm [41]. Mục đích nhằm nghiên cứu hiệu quả trữ nước của chuỗi các bể chứa dọc tuyến tránh ngập úng so sánh với hồ chứa tập trung có cùng quy mô. Kết quả cho thấy việc phân tán các HĐH cho kết quả tốt hơn là hồ tập trung do tăng khả năng thấm, khả năng trữ nước của các hồ phân tán.
P. Kaini et al [42] bằng phương pháp mô phỏng thủy lực – thủy văn cho vùng Silver Creek Watershed, Illinois, Mỹ có diện tích lưu vực 1.189 km2, với 200 phương án hồ rải rác trong hệ thống, sử dụng thuật toán Genetic Algorithm để chọn tổ hợp hồ tối ưu, hàm mục tiêu của nghiên cứu là lưu lượng nước lớn nhất ngày chảy qua mặt cắt sông cuối cùng là nhỏ nhất. Kết quả cho thấy lưu lượng đỉnh bình quân ngày phụ thuộc vào quy mô và vị trí của HĐH. Lưu lượng đỉnh đạt giá trị nhỏ nhất khi quy mô hồ đạt giá trị 5,6% (giá trị lớn nhất có thể bố trí) trên tổng diện tích lưu vực.
Một nghiên cứu khác [43] về tối ưu HĐH cho mục đích giảm ngập úng và phát điện trên khu vực nghiên cứu được lựa chọn là vùng Alcantara, một quận của thành phố của Bồ Đào Nha. Kết quả nghiên cứu cho thấy quy mô HĐH ảnh hưởng không chỉ đến mức độ ngập úng mà còn ảnh hưởng đến lượng điện năng được tạo thành ở hệ thống thoát nước mưa.
Nghiên cứu [1] trên lưu vực thị trấn Golestan thuộc tỉnh Tehran, Iran, với diện tích vùng nghiên cứu 1000ha chia thành 22 lưu vực nhỏ, đây là vùng đồng bằng, mưa trong mô phỏng có tần suất lập lại 50 năm. Mục tiêu của nghiên cứu là giảm dòng chảy đỉnh và giảm tổng dung tích của hồ (đồng nghĩa giảm chi phí xây dựng hồ). Nội dung nghiên cứu cho thay đổi số lượng HĐH và diện tích của chúng. Kết quả mô phỏng tính toán chỉ ra rằng lưu lượng đỉnh có quan hệ tỷ lệ nghịch với dung tích hồ đồng thời có quan hệ nghịch với số lượng hồ, kết quả thể hiện trên đồ thị cũng cho thấy cùng dung tích hồ nhưng số lượng hồ lớn hơn thì lưu lượng đỉnh nhỏ hơn.
Ưu thế của việc phân tán các HĐH cũng được khẳng định trong nghiên cứu so sánh hai phương án hồ phân tán và hồ tập trung [44], cho thấy tiềm năng cải thiện cả ba chỉ số gồm năng lượng tiêu thụ, mức độ ngập và khả năng sử dụng nước mưa là rất khả quan ở phương án hồ phân tán.
26
Quá trình đô thị hóa, công nghiệp hóa đã làm suy giảm bề mặt thấm nước, giảm độ nhám của lưu vực khiến thời gian tập trung dòng chảy rút ngắn và tăng lưu lượng đỉnh. Trong trường hợp này, việc sử dụng các HĐH để không làm tăng lưu lượng đỉnh, giảm chi phí xây dựng hệ thống thoát nước đô thị đã được nghiên cứu [45]. Điều này cho thấy việc tiếp cận theo hướng càng phân tán HĐH là xu thế tất yếu hiện nay trong việc thoát nước mưa tại các đô thị trên thế giới.
Một số nghiên cứu chỉ ra rằng các hệ thống thoát nước mưa theo phương pháp truyền thống sẽ chỉ làm tăng tổng mức đầu tư cho hệ thống [46]. Vì vậy để hệ thống thoát nước mưa có tính chất bền vững, cần sử dụng hệ thống HĐH nhằm kiểm soát tốt hơn lưu lượng gây ngập úng của các đô thị [47] [48] [49] [50].
Dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu điển hình mô phỏng thủy lực – thủy văn trên lưu vực Yen-Shui thuộc miền nam Đài Loan, tính toán với một kịch bản bố trí HĐH phân tán trên lưu vực, kết quả cho thấy việc bố trí HĐH đã làm giảm ngập úng bề mặt ứng với các tần suất mưa khác nhau từ 23% đến 44% [51].
Nghiên cứu khả năng triết giảm lưu lượng nước mưa ứng với các lượng mưa khác nhau được nghiên cứu điển hình trên một vùng nông thôn đang công nghiệp hóa với diện tích 7,98 ha trên tổng diện tích toàn vùng là 13,39 ha tại Changting phía Nam Trung Quốc. Trong khu vực công nghiệp hóa được bố trí 0,45 ha (chiếm 3,42% diện tích toàn khu vực) diện tích HĐH. Bằng phương pháp sử dụng mô hình thủy văn-thủy lực, tính toán cho các trường hợp mưa khác nhau, kết quả tính toán cho thấy khi trận mưa nhỏ hơn 135,5 mm, có thể triết giảm được 100% lượng dòng chảy. Khi trận mưa ngày đạt giá trị 233,6 mm, lượng dòng chảy lớn nhất triết giảm được là 58% [37]. Nghiên cứu diện tích ngập úng phụ thuộc vào HĐH và lượng mưa trên hệ thống tiêu cho lưu vực công viên công nghiệp Tainan thuộc Đài Loan. Nội dung nghiên cứu với cùng một hệ thống tiêu cho 3 lượng mưa có tần suất lập lại khác nhau là 2 năm, 10 năm và 50 năm với hệ thống HĐH phân tán sẵn có trong hệ thống. Kết quả nghiên cứu chỉ ra khi sử dụng HĐH thì diện tích bị ngập và độ sâu ngập giảm rõ rệt với một trận mưa cụ thể. Mô phỏng thủy lực hệ thống kênh và HĐH cố định thì lượng mưa với tần
27
suất lập lại 50 năm cho diện tích ngập và độ sâu ngập lớn nhất và nhỏ nhất khi mô phỏng với tần suất mưa lập lại là 2 năm [12].
Cắt giảm lưu lượng đỉnh của hồ được nghiên cứu bằng lý thuyết, kết quả chỉ ra việc giảm lưu lượng đỉnh do nước được trữ tạm thời trong hồ. Nghiên cứu hệ số triết giảm tính trên tỷ số giữa lưu lượng ra và lưu lượng vào, mối quan hệ giữa dung tích trữ lớn nhất và lưu lượng vào hồ. Nội dung nghiên cứu đã chỉ ra các hàm quan hệ, các thông số và sự phụ thuộc của các thông số này [52].
Bên cạnh những loại hồ truyền thống đã có nghiên cứu các loại hồ khác là hồ ướt (wet retention ponds) và hồ khô (dry retention ponds) [53]. Nghiên cứu chỉ ra hồ ướt có 2 tác dụng là trữ nước mưa giảm ngập úng và xử lý nước thải, hồ ướt có thể là các loại hồ truyền thống hoặc sử dụng các bãi cỏ, thực vật có địa hình thấp trũng để trữ nước tạm thời. Hồ khô được thiết kế chỉ với một mục đích trữ nước tạm thời thông thường không quá 24 giờ, không có tác dụng xử lý môi trường, hồ cũng được sử dụng cho các mục đích khác. Nghiên cứu cũng phân tích các ưu điểm và nhược điểm của 2 hình thức hồ trên về mặt môi trường và có lấy ví dụ của một số thành phố tại Mỹ.
Tóm lại: Vấn đề ngập úng tại các thành phố trên thế giới đang ngày càng trở nên nghiêm trọng do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và tình trạng đô thị hóa, công nghiệp hóa nhanh chóng đã làm trầm trọng hơn vấn đề thoát nước mưa đô thị và vùng nông nghiệp lân cận. Nhiều nghiên cứu đã đi sâu ảnh hưởng của HĐH đến các vấn đề ngập úng, môi trường, cảnh quan. Có thể tóm lược như sau:
- Một số nghiên cứu đã chỉ ra: việc tiếp cận thoát nước theo hướng thoát ngay lượng nước mưa là không hiệu quả cả về kỹ thuật lẫn hiệu quả kinh tế. Để giải quyết vấn đề này cần thiết phải trữ lại lượng nước mưa bằng các HĐH để sử dụng tổng hợp và thoát ra sau đó là rất hiệu quả cả về kỹ thuật lẫn kinh tế.
- Hướng tiếp cận sử dụng các hình thức cắt giảm lưu lượng đỉnh tại nguồn bằng việc trữ nước (các HĐH bố trí phân tán theo hộ gia đình hay khu đô thị) hay tăng khả năng thấm đang được các nhà chuyên môn tập trung nghiên cứu. Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy đây là hướng tiếp cận rất hiệu quả. Hướng tiếp cận này làm
28
giảm mức độ ngập úng, giảm chi phí đầu tư xây dựng hệ thống thoát nước, nâng cao hiệu quả sử dụng tổng hợp lượng nước mưa được trữ lại.
- Các nghiên cứu chủ yếu trên lưu vực thuần túy đô thị, công nghiệp hay nông nghiệp hoặc đất rừng. Nghiên cứu tập trung vào giảm lưu lượng đỉnh, giảm diện tích và độ sâu ngập theo các kịch bản HĐH. Nhiều nghiên cứu giải quyết vấn đề môi trường nước hồ.
Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu chỉ ra mối quan hệ giữa quy mô và hình thức bố trí của HĐH với lưu lượng tiêu thiết kế các công trình trong hệ thống tiêu. Đặc biệt ảnh hưởng của quy mô và hình thức bố trí HĐH đến chi phí đầu tư xây dựng của từng hạng mục công trình hay toàn hệ thống tiêu cho vùng hỗn hợp nông nghiệp - đô thị.
1.3.2. Trong nước
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế của đất nước, dân cư đô thị tăng nhanh, các đô thị không ngừng mở rộng và xây dựng mới. Hạ tầng thoát nước được xây dựng bổ sung theo hình thức kết nối chắp vá giữa hạ tầng sẵn có với hạ tầng vùng mở rộng. Cao độ san nền của những đô thị mới xây dựng lớn hơn cao độ mặt đất xung quanh nên toàn bộ nước mưa tập trung nhanh và đổ trực tiếp xuống hệ thống tiêu gây quá tải. Tình hình ngập úng do mưa xảy ra ở hầu hết các đô thị, đặc biệt nghiêm trọng tại các thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh... Có nhiều nghiên cứu trong nước chỉ ra vai trò của HĐH trong việc trữ nước giảm ngập úng cho đô thị và tránh quá tải cho hệ thống tiêu vùng hỗn hợp nông nghiệp - đô thị.
Cách tiếp cập theo hướng thoát nước đô thị bền vững được nghiên cứu [54] [55]. Nội dung nghiên cứu nhằm tăng lượng nước mưa được thấm vào đất giảm sự hình thành dòng chảy mặt, bổ sung nước ngầm, cải tạo môi trường đất và môi trường không khí. Nghiên cứu đưa ra các hình thức tăng lượng ngấm như trồng cỏ, lát gạch trừ lỗ, bê tông xốp, trồng cây xanh, tạo vùng ngập tạm thời cho ngấm... Một xu hướng mới đang được nghiên cứu là trữ nước tại nguồn sau đó dùng cho sinh hoạt, cho tưới cây, rửa đường [56]. Lượng nước mưa được trữ lại chỉ còn một phần nhỏ quay trở lại tham gia dòng chảy sau khi được sử dụng cho sinh hoạt và chảy vào hệ thống tiêu sau thời gian mưa nên không ảnh hưởng đến dòng chảy lớn nhất trong hệ thống.
29
Giải pháp trữ nước mưa bằng HĐH được nhiều nghiên cứu đề cập và đây là giải pháp đặc biệt hữu hiệu với những trận mưa lớn [17] [15] [57] [58]. Bản chất vật lý của điều tiết nước mưa là hồ giữ lại nước mưa làm giảm lưu lượng đỉnh và cấp trả lại hệ thống khi mực nước tại công trình nối tiếp với hồ giảm, quá trình này không làm tăng hay giảm tổng lượng nước cần tiêu. Ngoài ưu điểm chính của HĐH là cắt lưu lượng đỉnh, hồ còn cải thiện vi khí hậu và môi trường quanh hồ, bổ sung lượng nước ngầm, tăng dòng chảy kiệt nhằm pha loãng chất thải [59].
Phương pháp tính toán truyền thống với trận mưa thiết kế yêu cầu mưa giờ nào tiêu hết giờ đó nên nhiều đô thị đã đề xuất cải tạo nâng cao công suất của hệ thống gồm kênh dẫn, trạm bơm, cống xả [57] [55] [17] [60]. Mối quan hệ giữa quy mô công trình đầu mối và HĐH trước trạm bơm đã được nghiên cứu [61] [62][63].
Ảnh hưởng đến ngập úng trong các đô thị có kể đến thời tiết cực đoan do biến đổi khí hậu, số trận mưa cường độ lớn xảy ra thường xuyên hơn. Thêm vào đó là diện tích đô thị tăng, diện tích chịu ngập giảm xuống thì nhu cầu tiêu tăng lên. Khi mở rộng diện tích đô thị đã san lấp những vùng đất trũng ven đô vốn là nơi tập trung nước mưa có chức năng như HĐH khiến nước mưa chảy tràn gây ngập úng. Với thành phố Hồ Chí Minh nghiên cứu đã chỉ ra điều này [17].
Đối với những hệ thống tiêu được thiết kế để tiêu cho nông nghiệp nhưng khi đô thị mở rộng hay công nghiệp hóa thì nhu cầu tiêu tăng lên, để tránh quá tải cho hệ thống hiện tại thì ngoài việc cải tạo hệ thống kênh còn phải chuyển đổi mục đích sử dụng một số diện tích đất lúa sang nuôi trồng thủy sản và xây dựng HĐH để trữ lại lượng nước mưa tăng lên do quá trình đô thị hóa hay công nghiệp hóa [64]. Nghiên cứu về ảnh hưởng của công nghiệp hóa và đô thị hóa đến hệ số tiêu vùng đồng bằng Bắc Bộ đã nêu vai trò trữ nước của HĐH nhằm giảm hệ số tiêu khu vực nghiên cứu [65]. Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng trữ của HĐH đến hệ số tiêu hệ thống, tác giả đã giả thiết diện tích HĐH từ 0% đến 5% diện tích lưu vực và độ sâu hồ trữ từ 0,6m đến 1,5m để phân tích mức độ giảm hệ số tiêu [66]. Phương pháp nghiên tính theo giáo trình thủy nông, tính với một thời điểm không thể hiện được quá trình diễn biến của lưu lượng của từng tuyến kênh cũng như toàn hệ thống.
30
Thoát nước mưa đang bức xúc tại hầu hết các đô thị, ban hành nhiều văn bản pháp lý về thoát nước đô thị, phê duyệt các quy hoạch tiêu cho các hệ thống thủy lợi và quy hoạch chống ngập úng tại các thành phố lớn [67] [68] [69].
Các nghiên cứu trong nước quan tâm nhiều vấn đề môi trường nước, cải tạo toàn bộ hệ thống nhằm tăng năng lực tiêu, triết giảm lưu lượng đỉnh bằng cách trữ nước mưa