Bài báo giới thiệu một số giải pháp giảm ngập lụt, tăng cường khả năng thoát nước mặt trong đô thị bằng công nghệ phát triển đô thị bền vững (low impact development, LID). Các tác giả đã sử dụng phần mềm Storm water management model (SWMM) để đánh giá hiệu quả giảm ngập lụt trong đô thị của các công trình vườn thu nước mưa (rain garden, RG) và ô trữ sinh học (bio-retention, BR). Thông qua việc đánh giá kết quả và thảo luận, các tác giả kết luận rằng công nghệ LID mang lại hiệu quả đáng kể trong việc gia tăng khả năng thoát nước mặt của đô thị. Cụ thể là, khi sử dụng công trình là BR có diện tích sử dụng là 30%, lưu lượng chảy ngập giảm đi khoảng 50% so với việc không sử dụng. Khi diện tích sử dụng BR là 50%, lưu lượng chảy ngập giảm đi hơn 70%. Qua đó có thể kết luận rằng hiệu quả sử dụng công trình LID phụ thuộc đáng kể vào diện tích bố trí công trình thoát nước. Khi sử dụng đồng thời, công trình RG và BR có khả năng giảm lưu lượng nước ngập tràn giống nhau.
Tuy nhiên, RG có chi phí xây dựng thấp hơn BR. Từ kết quả nghiên cứu và thảo luận, các tác giả kiến nghị rằng khi thiết kế chống ngập trong đô thị, người kỹ sư muốn giảm lưu lượng ngập tràn bao nhiêu % thì tăng diện tích công trình thoát nước lên bấy nhiêu %. Trong tương lai, cần có nhiều nghiên cứu về đánh giá khả năng thoát nước mặt của các giải pháp LID bằng thực nghiệm tại hiện trường để giúp các nhà khoa học, các kỹ sư có thể áp dụng hiệu quả giải pháp LID trong việc góp phần phát triển đô thị.
Giới thiệu
Để đáp ứng nhu cầu thiết yếu của sự gia tăng dân số và phát triển kinh tế-xã hội, quá trình đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ ở hầu hết các quốc gia trên thế giới trong vài thập kỷ qua (Seto, Parnell, & Elmqvist, 2013). Quá trình này đã mang lại những hiệu quả rõ rệt. Tuy nhiên, cũng có một số hệ quả không mong muốn trong đô thị: (1) Ô nhiễm môi trường; (2) Đảo nhiệt và (3) Ngập lụt (T. M. Nguyen, Lin, & Chan, 2019), (Yang et al., 2021). Các hoạt động xây dựng cơ sở hạ tầng để phục vụ cho việc phát triển kinh tế – xã hội thúc đẩy việc bê tông hóa diễn ra nhanh và nhiều. Từ đó, làm giảm diện tích bề mặt thoát nước tự nhiên, tăng nguy cơ ngập lụt trong đô thị do hệ quả của quá trình biến đổi khí hậu gây ra. Điều này gây thiệt hại đáng kể đến hệ thống giao thông, thoát nước, thông tin liên lạc, cơ sở hạ tầng (Zhou, Leng, Su, & Ren, 2019). Từ những hệ quả tiêu cực của quá trình đô thị hóa đã nêu, việc nghiên cứu các giải pháp kiến trúc và xây dựng theo định hướng bền vững là vấn đề cần thiết.
Cho đến nay, giải pháp phát triển đô thị bền vững (low impact development) đã được nhiều nghiên cứu đề cập đến như là một giải pháp có hiệu quả cao trong việc chống ngập, chống đảo nhiệt đô thị và giảm ô nhiễm nguồn nước (P.-Y. Chen, Tung, & Li, 2017). Giải pháp thiết kế này được hiểu rằng: Việc thiết kế đô thị, thiết kế nhà ở phải có diện tích thoát nước mặt nhiều nhất có thể giúp tăng độ thoát nước mặt, giảm nước chảy tràn mặt, và giảm ô nhiễm nguồn nước. Giải pháp này bao gồm các giải pháp như sau: Nền đường rỗng (permeable pavement, PP), ô trữ nước sinh học (bioretention, BR), và vườn thu nước mưa (rain garden, RG).
Nguyễn và các cộng sự (2021) đã đánh giá hiệu quả của việc sử dụng nền đường rỗng thoát nước (PP) trong việc giảm ngập lụt trong đô thị (T. H. Nguyen & Ahn, 2021). Các tác giả đã sử dụng phần mềm mô phỏng nền đường rỗng và tiến hành tính toán thời gian chống ngập xảy ra. Nền đường rỗng thoát nước trong nghiên cứu này được mô phỏng với độ dốc, chiều rộng và chiều dày thiết kế khác nhau. Kết quả nghiên cứu cho thấy: Vệc ứng dụng nền đường rỗng thoát nước kéo dài thời gian chống ngập đáng kể trong đô thị. Khi độ dốc thiết kế tăng thì thời gian chống ngập tăng. Chiều rộng thiết kế của nền đường tăng thì thời gian chống ngập giảm. Chiều dày thiết kế càng tăng thì khả năng lưu trữ nước càng nhiều; vì vậy, thời gian chống ngập tăng.
Một nghiên cứu khác của Shafique (2016) đã đánh giá hiệu quả sử dụng ô trữ nước sinh học (BR) trong việc quản lý lưu lượng mưa (Shafique, 2016). Nghiên cứu đã cho thấy việc xây dựng BR mang lại nhiều lợi ích đáng kể như: Làm giảm lượng nước chảy mặt, tăng cường khả năng thấm của khu vực đô thị. Điều này góp phần quan trọng trong việc cải thiện chất lượng và số lượng nước trong đô thị. Bên cạnh đó, giải pháp còn góp phần năng cao hiệu suất loại bỏ các chất ô nhiễm có trong nước mưa dựa trên hệ thống lọc sinh học. Ở Thành phố Nangchang, Trung Quốc, giải pháp vườn thu nước mưa đã được thử nghiệm trên công trình thực tế (C. Chen et al., 2023). Trong quá trình thử nghiệm, các nhà khoa học khảo sát hiệu quả giảm ngập lụt và giảm ô nhiễm của công trình này. Công trình có chiều sâu 600 mm, cấu trúc gồm 30% cát, 10% chất thải hữu cơ, và 60% đất đỏ. Hệ số thấm của công trình đo được là 1.48 x 10-5 m/s. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng, khi áp dụng vườn thu nước mưa, lượng nước chảy mặt chỉ còn từ 64.2% đến 87.7%. Đồng thời, vườn thu nước mưa có hiệu suất lọc sạch tạp chất trong nước mưa là 70%.
Cũng giống như nhiều quốc gia trên thế giới, Việt Nam cũng đối mặt với nhiều hệ quả tiêu cực của quá trình đô thị hóa và biến đổi khí hậu (Phan & Ngô, 2013). Đồng bằng sông Cửu Long (ĐB SCL) là khu vực trọng điểm của kinh tế-xã hội phía Nam. Bên cạnh những điều kiện thuận lợi để phát triển kinh tế-xã hội thì ĐBSCL phải đối mặt với nhiều khó khăn từ hệ quả của việc biến đổi khí hậu và đô thị hóa như: Nước biển dâng (NBD) gây xâm nhập mặn và ngập lụt nghiêm trọng đô thị, thời tiết cực đoan như nhiệt độ cao và lưu lượng mưa lớn (Tuấn, 2014), (Cấn & Nguyễn, 2016). Việc thích ứng với các điều kiện khắc nghiệt đã nêu trên đã được chính quyền quan tâm. Các nhà khoa học đã đề xuất nhiều giải pháp để giải quyết vấn đề ngập lụt đô thị.
Chẳng hạn như các giải pháp thiết kế đô thị phát triển bền vững (low impact development): Bể chứa nước mưa trong khu vực trung tâm, nền đường rỗng thoát nước, vườn trữ nước sinh học…. Các nghiên cứu trên cho thấy rằng, việc ứng dụng giải pháp thiết kế đô thị phát triển bền vững đã mang lại nhiều hiệu quả tích cực trong việc ứng phó với ngập lụt, ô nhiễm trong đô thị (Hao, Gao, Sheng, & Qing, 2019). Cho đến nay, chưa có nhiều nghiên cứu được thực hiện để đánh giá hiệu quả sử dụng giải pháp thiết kế đô thị phát triển bền vững cho khu vực đô thị ở Cần Thơ. Vì vậy, các tác giả thực hiện nghiên cứu này để giúp các nhà quản lý, nhà khoa học hiểu rõ hơn về giải pháp. Đồng thời, còn là nguồn tài liệu tham khảo cho các kỹ sư thiết kế.
Nghiên cứu mô phỏng đánh giá khả năng thoát nước mặt của đô thị
Vùng nghiên cứu
Khu vực nghiên cứu nằm trên địa bàn hai phường An Khánh và Xuân Khánh thuộc quận Ninh Kiều, TP. Cần Thơ với tổng diện tích 6.46 km2 (Website). Khu vực nghiên cứu được giới hạn bởi: Phía Bắc giáp với phường An Hòa và phường An Nghiệp; phía Đông Bắc giáp với phường An Phú và phường An Lạc; phía Đông giáp với sông Cần Thơ; phía Đông Nam giáp với phường Hưng Lợi; phía Nam giáp với phường An Bình; phía Tây giáp với quận Bình Thủy. Trong khu vực nghiên cứu có trạm khí tượng thủy văn Cần Thơ nằm trên đường 3/2, P. Xuân Khánh, Q. Ninh Kiều, TP. Cần Thơ.
Mô phỏng đánh giá khả năng thoát nước mặt của vùng
SWMM (storm water management model) là phần mềm được xây dựng vào năm 1971 bởi USEPA và hiện là mô hình được sử dụng rộng rãi để mô phỏng dòng chảy lượng mưa với các mô-đun thủy văn, thủy lực và chất lượng nước (EPA). SWMM được sử dụng trong nhiều mục đích khác nhau, bao gồm đánh giá tính tối ưu của cơ sở hạ tầng xanh. Trong nghiên cứu này, mô hình SWMM được sử dụng nhằm mô phỏng tính toán lưu lượng dòng chảy mặt của vùng khi không có và có sử dụng công nghệ LID. Công nghệ LID bao gồm công trình BR, RG.
Để đánh giá hiệu quả của việc áp dụng các giải pháp công trình của công nghệ LID, nhóm nghiên cứu đã chọn hai vùng của khu vực quận Ninh Kiều – TP Cần Thơ để nghiên cứu là phường An Khánh và phường Xuân Khánh. Các thông số về đặc trưng về hình học của vùng bao gồm: Diện tích đất (Area), diện tích không thấm (% Imperviousness) được trình bày ở Bảng 1 bên dưới.
Trong nghiên cứu này, khu vực phường An Khánh và phường Xuân Khánh được giả thiết sử dụng công trình BR và RG giúp gia tăng sự thoát nước mặt góp phần chống ngập lụt trong đô thị. Bên cạnh đó, các tác giả đặt giả thiết rằng nước mặt từ An Khánh chảy qua khu vực Xuân Khánh. Chênh lệch độ dốc giữa hai vùng là 0.1%. Mô hình của vùng tính toán trong phần mềm SWMM được thể hiện ở Hình 1.
Các thông số về đặc trưng thoát nước của BR và RG được áp dụng để mô phỏng khả năng thoát nước của hai vùng nghiên cứu được thể hiện ở bảng 2. Các thông số này được sử dụng dựa vào các nghiên cứu trước đây (Bai, Zhao, Zhang, & Zeng, 2018; Hải, 2020; Nữ, Vũ, & Phùng, 2020).
Để đánh giá khả năng thoát nước mặt khi áp dụng các công trình trên trong điều kiện mưa, lượng mưa tham khảo từ các nghiên cứu trước đây được áp dụng là 79 mm/h (Apel et al., 2015). Các trường hợp tính toán mô phỏng được trình bày ở Bảng 3.
Kết quả và thảo luận
Dựa vào phần mềm tính toán mô phỏng nước SWMM, các tác giả tính toán lưu lượng chảy ngập được truy xuất cho các trường hợp khác nhau lần lượt theo thứ tự TH1, TH2, TH3 và TH4. Căn cứ vào kết quả tính toán, ảnh hưởng của diện tích sử dụng LID và hiệu quả sử dụng các công trình LID khác nhau được thảo luận
Ảnh hưởng của diện tích sử dụng LID đến lưu lượng chảy ngập
Hình 2 và 3 cho thấy rằng việc sử dụng LID cho hiệu quả đáng kể để thoát nước. Cụ thể là, khi sử dụng công trình là BR có diện tích sử dụng là 30%, lưu lượng chảy ngập giảm đi đáng kể khoảng 50% so với việc không sử dụng. Với diện tích sử dụng BR là 50%, lưu lượng chảy ngập giảm đi hơn 70%. Từ đó cho thấy rằng, khả năng thoát nước mặt của đô thị phụ thuộc đáng kể vào diện tích sử dụng công trình thoát nước. Kết quả nghiên cứu phù hợp với kết quả nghiên cứu của (Jia et al., 2015).
Đáng chú ý là khi diện tích công trình thoát nước tăng từ 30% lên 50% (1.67 lần) thì lưu lượng chảy ngập giảm lượng tương đương khoảng 1.53 lần. Điều đó cho thấy rằng, khi thiết kế thoát nước mặt trong đô thị, người kỹ sư muốn giảm lưu lượng bao nhiêu % thì tăng diện tích công trình thoát nước lên bấy nhiêu %.
Ảnh hưởng các công trình LID khác nhau đến lưu lượng chảy ngập
Kết quả từ Hình 4 và Hình 5 cho thấy rằng các công trình thoát nước LID RG và BR có lưu lượng nước chảy giống nhau. Từ kết quả nghiên cứu có thể kết luận rằng, công trình thoát nước RG và BR có hiệu quả như nhau trong việc tăng cường khả năng thoát nước mặt đô thị. Xem xét về điều kiện kinh tế, có thể thấy rằng việc sử dụng RG có chi phí là khoảng 2.6 triệu đồng/m2, trong khi đó sử dụng BR có chi phí là 3.3 triệu đồng/m2 ((Hải, 2019; Wu et al., 2019). Qua so sánh về chi phí công trình, có thể thấy rằng việc sử dụng RG mang lại hiệu quả thoát nước tương tự như BR với chi phí thấp hơn khoảng 0.7 triệu đồng/m2. Vì vậy, khi sử dụng công trình để tăng khả năng thoát nước mặt trong đô thị, thì RG được khuyến cáo sử dụng
Kết luận và kiến nghị
Bài nghiên cứu trình bày sơ lược về vấn đề ngập lụt trong đô thị ở ĐBSCL trong điều kiện ảnh hưởng bởi biến đổi khí hậu. Đồng thời, đề xuất giải pháp giảm ngập lụt, tăng cường khả năng thoát nước mặt bằng giải pháp phát triển đô thị bền vững (LID). Hiệu quả sử dụng công trình của LID được đánh giá. Bên cạnh đó, ảnh hưởng của diện tích sử dụng công trình và loại công trình LID sử dụng cũng được khảo sát.
Kết quả nghiên cứu nổi bật như sau:
Khi sử dụng LID cho hiệu quả gia tăng thoát nước mặt đáng kể. Điển hình là, khi sử dụng công trình là BR có diện tích sử dụng là 30%, lưu lượng chảy ngập giảm đi khoảng 50% so với việc không sử dụng. Khi diện tích sử dụng BR là 50%, lưu lượng chảy ngập giảm đi hơn 70%. Qua đó, có thể kết luận rằng hiệu quả sử dụng công trình LID phụ thuộc đáng kể vào diện tích bố trí công trình thoát nước. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng khi thiết kế thoát nước mặt trong đô thị, người kỹ sư muốn giảm lưu lượng ngập tràn bao nhiêu % thì tăng diện tích công trình thoát nước lên bấy nhiêu %.
Các công trình thoát nước LID gồm vườn thu nước mưa (RG) và ô trữ sinh học (BR) có khả năng giảm lưu lượng ngập tràn giống nhau khi được sử dụng trong đô thị. Tuy nhiên, RG có chi phí xây dựng thấp hơn BR. Qua đó, các tác giả khuyến cáo khi muốn giảm ngập lụt trong đô thị bằng giải pháp LID, vườn thu nước mưa (RG) là giải pháp tối ưu về kỹ thuật và kinh tế. Kết quả trong nghiên cứu này chủ yếu dựa vào phần mềm mô phỏng SWMM, vì vậy, cần có nhiều nghiên cứu về đánh giá khả năng thoát nước mặt của các giải pháp LID bằng thực nghiệm tại hiện trường.
Nguyễn Hoàng Dững – Phan Hữu Nguyện
Trường Đại học Kỹ thuật – Công nghệ Cần Thơ
Nguyễn Hoàng Nam – Nguyễn Tấn Hưng
Trường Đại học Nam Cần Thơ
(Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 9-2024)
Tài Liệu Tham Khảo
Apel, H., Trepat, O., Hung, N., Chinh, D., Merz, B., & Dung, N. J. N. H. E. S. S. D. (2015). Combined fluvial and pluvial urban flood hazard analysis: method development and application to Can Tho City, Mekong Delta, Vietnam. 3, 4967-5013.
Bai, Y., Zhao, N., Zhang, R., & Zeng, X. J. W. (2018). Storm water management of low impact development in urban areas based on SWMM. 11(1), 33.
Cấn, T. V., & Nguyễn, T. S. (2016). Nghiên cứu thiết lập phương pháp cơ bản đánh giá rủi ro lũ lụt ở đồng bằng sông Cửu Long. VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, 32(3S).
Chen, C., Li, Y., Le, W., You, C., Liu, Z., Liu, W., & Zhang, R. J. W. (2023). Field performance of rain garden in red soil area in southern China. 15(2), 267.
Chen, P.-Y., Tung, C.-P., & Li, Y.-H. (2017). Low impact development planning and adaptation decision-making under climate change for a community against pluvial flooding. Water, 9(10), 756.
EPA, U. S. Retrieved from https://www.epa.gov/water-research/forms/more-information-about-storm-water-management-model-swmm
Hải, Đ. M. (2019). Bố trí và lựa chọn tối ưu các công trình thoát nước bền vững cho lưu vực sông Cầu Bây, Gia Lâm, Hà Nội.
Hải, Đ. M. (2020). Ảnh hưởng của các đặc trưng mưa thiết kế tới hiệu quả kiểm soát dòng chảy của các công trình thoát nước bền vững.
Hao, M., Gao, C., Sheng, D., & Qing, D. (2019). Review of the influence of low-impact development practices on mitigation of flood and pollutants in urban areas. Desalination and Water Treatment, 149, 323-328.
Jia, H., Wang, X., Ti, C., Zhai, Y., Field, R., Tafuri, A. N., . . . assessment. (2015). Field monitoring of a LID-BMP treatment train system in China. 187, 1-18.
Nguyen, T. H., & Ahn, J. J. W. (2021). Numerical study on the hydrologic characteristic of permeable friction course pavement. 13(6), 843.
Nguyen, T. M., Lin, T.-H., & Chan, H.-P. (2019). The environmental effects of urban development in Hanoi, Vietnam from satellite and meteorological observations from 1999–2016. Sustainability, 11(6), 1768.
Nữ, H. T. T., Vũ, Đ. T., & Phùng, L. J. V. J. o. H. (2020). Mô phỏng mức độ ngập và đề xuất giải pháp thoát nước chống ngập cho khu vực Văn Thánh–thành phố Hồ Chí Minh. 716(8), 12-25.
Phan, V. T., & Ngô, Đ. T. (2013). Biến đổi khí hậu ở Việt Nam: Một số kết quả nghiên cứu, thách thức và cơ hội trong hội nhập quốc tế. VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, 29(2).
Seto, K. C., Parnell, S., & Elmqvist, T. (2013). A global outlook on urbanization. Urbanization, biodiversity and ecosystem services: challenges and opportunities: a global assessment, 1-12.
Shafique, M. (2016). A review of the bioretention system for sustainable storm water management in urban areas. Materials and Geoenvironment, 63(4), 227-236.
Tuấn, T. V. (2014). Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến hệ sinh thái tự nhiên ở đồng bằng sông Cửu Long. Tạp chí Khoa học(64), 155.
Website. Retrieved from https://vi.wikipedia.org/wiki/An_Kh%C3%A1nh,_Ninh_Ki%E1%BB%81u
https://vi.wikipedia.org/wiki/Xu%C3%A2n_Kh%C3%A1nh
Wu, J., Kauhanen, P. G., Hunt, J. A., Senn, D. B., Hale, T., & McKee, L. J. J. J. o. S. W. i. t. B. E. (2019). Optimal selection and placement of green infrastructure in urban watersheds for PCB control. 5(2), 04018019.
Yang, Q., Zheng, X., Jin, L., Lei, X., Shao, B., & Chen, Y. (2021). Research progress of urban floods under climate change and urbanization: a scientometric analysis. Buildings, 11(12), 628.
Zhou, Q., Leng, G., Su, J., & Ren, Y. (2019). Comparison of urbanization and climate change impacts on urban flood volumes: Importance of urban planning and drainage adaptation. Science of the Total Environment, 658, 24-33.
