Hệ thống cống thoát nước của ĐHXD đổ ra hệ thống chung của khu vực và được thoát ra lưu vực sơng Kim Ngưu (Hình 1.4).
G8 G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G9 G10 G11 G12 G13 G14 G15 G16 G17 G21 G22 G1 8 G 2 4 G0 G 19 G2 3 G 2 5 G26 2 9 .0 8 G32 G33 G34 G36G35 G27 G28 G29 G31 G30 G37 G38 Hình 1.4: Hệ thống cống thốt nƣớc hiện hữu ĐHXD
CHƢƠNG II – PHƢƠNG 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 tốn 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 tốn 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 tốn có ba mục tiêu cần đạt được: (1) tính tốn 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 tốn 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 tốn nghiên cứu, chúng tơi đã thực hiện các công việc sau đây: (i) thu thập số liệu tổng diện tích mái nhà để tính tốn 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 năng đáp ứng nhu cầu của lượng nước mưa có thể thu gom từ mái; [33] tính tốn dung 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 đơ 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 đơ 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: cơng trình, phi cơng trình, đa ngành, đa cấp, ngắn hạn, lâu dài, phân tán và tập trung.
2.3. Phƣơng pháp luận và phƣơng pháp nghiên cứu 2.3.1. Phƣơng 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. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.3.2.1. Phương pháp tổng quan tài liệu: hồi cứu các nghiên cứu liên quan để rà
sốt 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 tốn lượng mưa có thể thu gom,
tính tốn khả năng giảm ngập úng.
a. Phương pháp lượng mưa hiệu quả
Đây là phương pháp tính tốn 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:
Lƣợng mƣa hiệu quả = A x (Lƣợng mƣa – B) (CT-01) Trong đó:
- A: hệ số hiệu quả thu gom nước mưa, được xác định khoảng 0,8-0,85 [32].
xác định khoảng 24mm/năm, hoặc 2mm/tháng
- Lương mưa, lượng mưa hiệu quả được xác định bằng mm. Lượng mưa (V) có thể thu được từ mái sẽ tính theo cơng thức sau đây:
V = Sm*lƣợng mƣa hiệu quả (CT-02) Trong đó:
- V: Lượng mưa có thể thu gom từ mái (m3 hoặc lít)
- Sm: Tổng diện tích mái dùng để thu gom mưa (m2)
- Lượng mưa hiệu quả tính theo cơng thức CT-01 (mm/m2)
b. Phương pháp cường độ giới hạn
Đây là phương pháp tính thời gian nước mưa chảy từ điểm tính tốn (là điểm bất lợi nhất) tới tiết diện tính tốn do việc úng ngập cục bộ nếu có là do nước mưa rơi xuống mặt đất khơng kịp thốt ra đến cống (tức là chỉ có ngập cục bộ). Do đó, việc tính tốn thời gian nước mưa chảy trên đường, trước khi chảy xuống cống, từ điểm bất lợi nhất để tính tốn 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 tốn tiết diện đường kính cống, rãnh thốt 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 tốn dựa theo trận mưa tính tốn, chu kỳ tràn cống P (thời gian lặp lại trận mưa tính tốn) để xác đinh thời gian tập trung nước mưa trên mặt đường.
c. Phương pháp tiếp cận hệ thống thốt nước đơ 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 cơng suất của chúng lại chỉ có giới hạn và không dễ nâng cấp. Cách làm này dẫn đến nguy cơ ngập lụt, xói mịn đất và ơ 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 sốt tối đa dịng 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 sốt ơ nhiễm. Đó chính là những ngun lí của thốt nước bề mặt bền vững (Sustainable urban drainage solutions – SUDS).
Cách tiếp cận của thoát nước mưa bền vững SUDS là thốt chậm, khơng 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 hịa 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 hịa 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 sốt dịng chảy tại chỗ bị hạn chế, thì có thể phân tán dịng 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 sốt ơ 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 tịa 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 thốt nước đơ thị. Đó cũng là giải pháp quan trọng khi mà nhiều đô thị còn đang thiếu nước sạch.
Mục tiêu của SUDS:
i. Suy yếu dòng chảy tràn bề mặt.
ii. Kéo dài thời gian tập trung nước mưa.
iii. Xây dựng các giải pháp tạm thời để lưu trữ nước mưa.
iv. Gia tăng tính thấm bề mặt để làm giảm dịng chảy tràn ngay trong khi mưa và thoát dần khi kết thúc trận mưa.
Các biện pháp áp dụng:
Quản lý nước mưa từ cộng đồng.
Kiểm soát nước mưa tại nguồn: Lắp đặt hệ thống lưu trữ nước mưa và không kết nối trực tiếp nước mưa với nước thốt.
Hình 2.1: Ngun tắc thốt nƣớc bề mặt bền vững
(a) Dịng chảy tập trung do bề mặt phủ đơ 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 thốt nhờ các giải pháp làm chậm dịng chảy và thấm.
2.3.2.3 Phương pháp hiện trường và phịng thí nghiệm
Phương pháp lấy mẫu, phân tích hiện trường và phịng thí nghiệm được thực hiện trong đánh giá chất lượng nước mưa thu gom. Các kết quả đo được tại hiện trường và phịng 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 lƣợng nƣớc mƣa
MỘT SỐ CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NƢỚC MƢA
Hóa – Lý Cảm quan Vi sinh Kim loại nặng
pH, độ đục, ammonia (NH4+), Nitrate (NO3-), Nitrite (NO2-), Sulfate (SO42-), Chất rắn hòa tan (TDS), Chất rắn lơ lửng Mùi, vị Tổng Coliform, Ecoli, Campylobacter, Salmonella
Nhôm (Al), Asen (As), Bari (Ba), Đồng (Cu), Chì (Pb), Cadmi (Cd), Crơm (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 Phương pháp chuẩn kiểm tra nước và nước thải [17]. Ống kỹ thuật lên men 9221- B, 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 khơng gian được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như nơng 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 khơng cao và khó khăn trong thu thập và tổng hợp khối lượng thơng 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 thơng 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 để phục vụ cơng việc tính tốn (Chi tiết về thuộc tính đối tượng trình bày trong phụ lục IV). Khi sử dụng phần mềm của GIS để xử lý thơng 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 đơ 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 tốn 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
Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
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
Lượng mưa năm 1.934,7
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.
Bảng 2.3: Diện tích mái phủ của các nhà chức năng chính ĐHXD
STT TÊN NHÀ DIỆN TÍCH (m2) 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 tốn khả năng tiêu thốt nước của hệ thống cống Đại học Xây dựng
- Số liệu hiện trạng hệ thống cống thoát của ĐHXD:
Hệ thống cống thốt được bố trí dọc theo khn viên của trường, với 2 tuyến thốt chính:
a. Tuyến cống G38 – G37 – G7 – G6 – G5 – G4 – G3 – G2 – G1 – G0: Tải lưu