Ashui.com @ Tạp chí Quy hoạch Đô thị

Sunday
Nov 23rd
Text size
  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size
Home Tương tác Nhìn ra thế giới Thành phố nước (Hydropolis) - trường hợp Atlanta

Thành phố nước (Hydropolis) - trường hợp Atlanta

Viết email In

Tính hiện đại (Modernity) đã chia rẽ con người về không gian, thời gian và tổ chức xã hội với các nguồn tài nguyên trong tự nhiên thông qua các tiến trình công nghiệp. Chúng ta thường đối xử với các nguồn tài nguyên sẵn có tại chỗ (nước mưa, năng lượng mặt trời, gió,v.v…) như phế thải trong khi lại phải nhập khẩu tài nguyên từ những nơi xa xôi để phục vụ đời sống và sản xuất bất chấp những chi phí đáng kể về môi trường.

Trong một studio cao học về quy hoạch, thiết kế đô thị và kiến trúc tại Viện Công nghệ Georgia (Hoa Kỳ), giáo sư và sinh viên đã nghiên cứu giải pháp cho một đô thị bền vững tương lai trong đó dấu chân sinh thái của đô thị là nhỏ nhất. Nói một cách khác, đó là tương lai mà đô thị có thể tự tạo chế lương thực và các nguồn năng lượng. Có 3 chủ đề được nghiên cứu: cảnh quan sản xuất (nông nghiệp), thành phố mặt trời (năng lượng), và thành phố nước. Tham gia vào nội dung cuối, tác giả tính toán và mô phỏng việc tiêu thụ nước sạch và thoát nước mưa trong trong không gian và theo thời gian một lưu vực rộng một dặm vuông tại trung tâm thành phố Atlanta (bang Georgia, Hoa Kỳ). Hệ thống tiêu thụ nước vốn phụ thuộc hoàn toàn vào “nguồn nước nhân tạo” được thể hiện thông qua sơ đồ lưu tuyến (meta-diagram). Sự tác động của “địa hình nhân tạo” (bao gồm địa hình tự nhiên và các cấu trúc xây dựng của con người) vào dòng chảy bề mặt được mô phỏng trong GIS (hệ thống thông tin địa lý). Và cuối cùng, thủy đồ, được dùng để miêu tả quy mô dòng chảy bề mặt trong các điều kiện mặt phủ và địa hình khác nhau. Các tính toán và mô phỏng này dẫn đến một đề xuất cho thiết kế và quy hoạch đô thị nhằm tạo ra một đô thị bền vững hơn trong mối quan hệ với tài nguyên nước. Dưới đây là tóm lược về nghiên cứu. 

 

Bối cảnh

Việc đối xử với tài nguyên nước, dù ở các dạng khác nhau (nước mưa, nước ngầm, nước thải, nước uống,v.v…), như một thể thống nhất tuần hoàn trong môi trường, được bàn từ thập niên 60 của thế kỷ trước (McPherson, 1968). Những thảo luận của giới nghiên cứu cuối cùng dẫn đến sự hình thành của các cơ quan quy hoạch và quản lý nước thống nhất như Cơ quan Quy hoạch nước khu vực Bắc Georgia là đơn vị phụ trách vùng đô thị Atlanta (6 triệu dân vào năm 2012). Tại cấp thành phố, Sở Quản lý Lưu vực (Department of Watershed Management) cũng là cơ quan duy nhất quán xuyến cả nước thải, nước uống và nước mưa. Tuy nhiên, thực tế thì bên trong các cơ quan này, các phòng ban lại chưa thực sự nói chuyện với nhau. Kết quả là các trạng thái hay dạng khác nhau của nước vẫn được quản trị riêng rẽ. Bên cạnh đó luật pháp là một lực cản khác cho mục tiêu quy hoạch tích hợp. Bất chấp chất lượng nước mưa được chứng minh là thậm chí sạch hơn nước máy và đạt mọi tiêu chuẩn của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Liên bang EPA, nước mưa vẫn bị cho ra “ngoài vòng pháp luật” cho tới cuối năm 2011 khi thành phố Atlanta nới lỏng luật pháp sau một đợt khô hạn. 

Ở tầm quốc gia, nước là vấn đề lớn hơn nhiều người hình dung. Những vùng đô thị phát triển nhanh nhất nước Mỹ lại là những vùng khô hạn như miền Nam California, Arizona và miền Bắc Georgia. Bên cạnh đó, việc lọc và truyền nước vượt một không gian địa lý lớn để tới các đô thị tiêu tốn rất nhiều năng lượng – một vấn đề thuộc phạm trù an ninh quốc gia. Thống kê cho thấy 15% năng lượng của bang California dùng vào việc lọc và truyền tải nước (Malik, n.d.). Một tính toán khác cho thấy năng lượng để bơm nước chảy ra từ một vòi tắm trong hộ gia đình tương đương năng lượng để thắp bóng đèn 60 watt trong 14 giờ (Malik, n.d.). 

Ở cấp độ địa phương, dù lượng mưa ở một vùng cận nhiệt đới như thủ phủ của bang Georgia không hề nhỏ, thành phố Atlanta thường xuyên “khát” nước. Việc thiếu vắng những con sông và hồ chứa lớn cũng như trữ lượng nước ngầm ít khiến thành phố và bang Georgia luôn phải “đấu đá” với hai bang láng giềng là Alabama và Florida về việc chia sẻ nước từ hồ Lanier. Trong bối cảnh như vậy, bản Quy hoạch Cấp và Bảo tồn Nguồn nước cho vùng Atlanta (AECOM, 2009) vẫn không coi nước mưa là một nguồn tài nguyên. 

Lưu vực trung tâm


Hình 1: Lưu vực trung tâm Atlanta.


Hình 2: [Trái] Ranh giới khu vực ngập nước theo tần suất 50 năm, 100 năm và 500 năm; [Phải] Giao điểm giữa đường cao tốc I75/85 và I20 trong điều kiện bình thường và khi ngập lụt vào tháng 11/2010.

Trước khi có thể tính toán các thông số này, việc đầu tiên bao giờ cũng là xác định ranh giới lưu vực. Hai thông tin cơ bản để xác định lưu vực là địa hình xây dựng hay địa hình “nhân tạo” vốn là kết quả xây dựng hạ tầng và công trình của con người làm thay đổi địa mạo; và hệ thống dòng chảy bao gồm dòng chảy tự nhiên và hệ thống thoát nước đô thị. 

Chúng tôi xây dựng địa hình “nhân tạo” bằng cách “đặt” các tòa nhà, vốn đã có thông tin về khối và tầng cao (data dạng shapefile), lên trên địa hình tự nhiên (data dạng TIN). Kết quả “hôn phối” này được chuyển thành định dạng DEM [mô hình địa hình điện tử - data dạng raster hay điểm ảnh] để thực hiện các phân tích trong một công cụ phân tích thủy văn của ArcGIS được gọi là ArcHydro. Do vấn đề an ninh, các thông tin điện tử về hệ thống cấp và thoát nước tại Mỹ không được cung cấp ra bên ngoài. Do đó, để mô phỏng tác động của hệ thống thoát nước, vốn thường nằm dưới lòng đường, tất cả lòng đường được hạ thấp xuống thêm 1 foot, tức là khoảng, để khiến cho nước chảy bề mặt sẽ dồn về phía đường như trong thực tế khi chạy mô hình. 

Với địa hình “nhân tạo” đã tính đến sự thay đổi địa mạo do việc xây dựng công trình và hạ tầng và quy mô nghiên cứu đã được lựa chọn là khoảng một dặm vuông, công cụ ArcHydro có thể dễ dàng xác định ranh giới lưu vực và các dòng chảy chính. 

Phương trình quy hồi và Thủy đồ


Hình 3: Các bước phân tích thủy văn bằng ArcHydro. 

Để tính toán được lưu lượng nước chảy bề mặt cực đại và thời gian đạt lưu lượng này dựa theo mô hình hồi quy (regression model) do Cơ quan khảo sát địa chất Hoa Kỳ xây dựng cho vùng Atlanta (AMEC Earth and Environmental, 2001), ba thông tin đầu vào cần có: độ dốc trung bình của các dòng chảy chính, diện tích mặt phủ bị bê tông hóa và tổng diện tích lưu vực. 

Trước khi “chạy” mô hình, một yếu tố cần xem xét là tuyến đường cao tốc liên bang I-85/75 rộng 10 làn xe chạy qua lưu vực trung tâm và chia cắt khu vực này thành 2 phần rất khác biệt: trung tâm thương mại và văn phòng ở phía Tây (CBD) và một khu dân cư cũ ở phía Đông. I-85/75 có đoạn đi chìm theo một vũng trũng của địa hình nhưng cũng có đoạn ở trên cao. Do đó để xử lý tác động của tuyến cao tốc này vào hệ thống thoát nước, đồng thời cũng để minh họa sự khác biệt về thủy văn giữa hai khu vực Đông và Tây vốn rất khác nhau về tỷ lệ bê-tông hóa, lưu vực trung tâm được chia làm 3 phần: phần phía Đông, phần Trung tâm [phần diện tích chiếm chỗ của đường cao tốc] và phần phía Tây. 

Sau khi xác định được các dòng chảy chính dựa vào công cụ ArcHydro, bước tiếp theo là tính toán độ dốc của địa hình vốn ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ dòng chảy. Công cụ Spatial Analysis (Phân tích không gian) có chức năng tính toán độ dốc (trong trường hợp này được tính theo phần trăm, %) và tạo ra một data dạng điểm ảnh để thể hiện độ dốc này và thể hiện trong GIS như một lớp (layer). Sau cùng, lớp độ dốc được giao cắt (trong không gian) với lớp dòng chảy để tạo thành một lớp mới thể hiện dòng chảy nhưng mang thông tin về độ dốc. Giá trị trung bình của độ dốc dòng chảy được thể hiện ngay trong phần thống kê của lớp cao độ dòng chảy. 

Chu kỳ lụt Phương trình hồi quy Chú thích
2-năm Q = 145 A0.70 TIA0.31 Q: lưu lượng đỉnh;A: diện tích lưu vực;

TIA: tỷ lệ bê-tông hóa tại lưu vực;

TL: thời gian đạt đỉnh;

S: độ dốc trung bình;

Bảng 1: Các phương trình quy hồi để tính toán lưu lượng đỉnh và thời gian đạt lưu lượng đỉnh. Nguồn: (AMEC Earth and Environmental, 2001)

Biến cuối cùng của công thức quy hồi là tỷ lệ bê-tông hóa bề mặt. Ba tiểu lưu vực: khu dân cư phía Đông, đường cao tốc, và khu đô thị cao tầng phía Tây, có tỷ lệ này lần lượt là 60%, 95% và 88% (con số cho cả lưu vực là 73%). Dựa vào công thức quy hồi cho lưu lượng đỉnh và thời gian đạt lưu lượng định (từ lúc bắt đầu mưa) của USGS tính cho mưa chu kỳ 2 năm và 25 năm, kết quả thu được như sau: 

Lưu vực [Đơn vị]

Chu kỳ

[Năm]

Diện tích tiểu lưu vực [Dặm vuông]

Tỷ lệ bê-tông hóa [%]

Lưu lượng đỉnh [Ft3/giây]

Độ dốc trung bình [%]

Thời gian đạt đỉnh[phút]

TLV Trung tâm [đường cao tốc]

2

0.077

95

99

3.56

48

25

160

TLV Khu Tây [trung tâm thương mại]

2

0.442

88

328

5.53

78

25

537

TLV Khu Đông [khu dân cư]

2

0.488

60

313

5.14

90

25

538

Toàn lưu vực

2

1.007

75

555

5.19

110

25

929

Toàn lưu vực [trong trường hợp lưu trữ 3.4-inch mưa]

2

0.545

68

351

5.18

90

25

595

 

Bảng 2: Kết quả tính toán lưu lượng đỉnh và thời gian đạt lưu lượng đỉnh đối với lụt chu kỳ 2 và 25 năm. Ghi chú: TLV = tiểu lưu vực. 

Tính toán cho thấy mặc dù có diện tích lưu vực nhỏ hơn, tức là tổng lượng mưa đổ xuống ít hơn nhưng vì tỷ lệ bê-tông hóa cao hơn nên tiểu lưu vực phía Tây có lưu lượng đỉnh tương đương tiểu lưu vực phía Đông và thời gian đạt đỉnh ngắn hơn 12 phút. Kết quả tính toán toàn lưu vực cho thấy đối với lụt chu kỳ 2 năm, toàn lưu vực đạt lưu lượng đỉnh là 555 ft3/s (16 m3/s), và đối với lụt chu kỳ 25 năm là 929 ft3/s (26 m3/s) sau 110 phút. Kết quả này được minh họa bằng thủy đồ (hydrograph) trong hình 4.  


Hình 4: Thủy đồ toàn lưu vực trong 3 viễn cảnh: lụt 2-năm, lụt 25-năm và lụt 25-năm trong điều kiện có hệ thống lưu trữ nước mưa tại chỗ như đề xuất thiết kế. 


Ứng dụng trong thiết kế


Hình 5: Ba công cụ trong thiết kế đô thị nhằm lưu trữ nước mưa và làm giảm tốc độ và lưu lượng dòng chảy bề mặt.
Nguồn: đồ họa của WRT và Sasaki.

Giả sử các công trình tại trung tâm thành phố đều có mái xanh hoặc bể ngầm để hấp thụ toàn bộ lượng nước của những cơn mưa 3,4-inch (tương đương 86,36 mm, cũng là các cơn mưa có chu kỳ 25 năm tại Atlanta) trút xuống khu vực mái của các công trình này thì có thể tách phần diện tích các công trình (khoảng 541,073 m2) ra khỏi mô hình thủy văn cho các tiểu lưu vực. Mô hình tính toán mới cho thấy trong trường hợp này, lưu lượng định cho lụt chu kỳ 25 năm của toàn lưu vực giảm 36% và tương đương lưu lượng đỉnh của lụt chu kỳ 2 năm trong trường hợp không có thu gom nước mưa. Đồng thời, hệ thống thu gom nước mưa trên các mái nhà có thể cung cấp trung bình 0,5 triệu gallon nước mỗi ngày, tương đương 15% tổng nhu cầu trong khu vực [xem tính toán ở phần sau]. 

Tuy nhiên mục tiêu mọi công trình có thể lưu trữ lượng mưa 3,4-inch đổ xuống mái có thể là quá lý tưởng (như vậy, ước tính một nhà đơn lập có quy mô trung bình sẽ cần một bể 9,5 m3) và khó khả thi về mặt pháp lý. Chúng tôi đặt ra một viễn cảnh mà hệ thống lưu trữ nước mưa sẽ phụ thuộc vào hạ tầng công cộng nhiều hơn: các tòa nhà sẽ chỉ thu gom 1 inch nước mưa, 2,4 inch còn lại sẽ là “trách nhiệm” của hệ thống “đường xanh” (green street) và một khu vực ngập nước sinh thái (constructed wetland) nhân tạo (Hình 5). Để đạt được quy mô lưu trữ tương đương phương án đầu thì 25% chiều dài các tuyến đường trong lưu vực sẽ phải chuyển thành “đường xanh” với năng lực thiết kế cho phép giảm lượng nước chảy bề mặt 90% nhờ khả năng chứa và thẩm thấu nước mưa xuống lòng đất. Thêm vào đó là một công viên ngập nước rộng 6,5 hecta nằm dọc và dưới lòng đường cao tốc I75/85, nơi hiện không sử dụng, sẽ đủ khả năng để lưu trữ và lọc 237 m3 nước mưa mỗi ngày. Với thiết kế này, thành phố sẽ có thêm không gian xanh, gia tăng sự đa dạng về sinh học, giảm nhu cầu nước “máy” và giảm nguy cơ ngập lụt đáng kể. 

Tiêu thụ nước

Với lượng mưa trung bình năm là 52 inch (1320 mm), lượng mưa trung bình mỗi ngày của khu vực trung tâm Atlanta là 0.142 inch (3,6 mm). Trong khu vực một dặm vuông, lượng mưa trung bình ngày này sẽ có tổng khối tích là 2,49 triệu gallon (tương đương 9,44 triệu lít, 1 gallon = 3,8 lít). Tuy nhiên, chỉ một phần lượng mưa này sẽ trở thành nước chảy bề mặt, còn lại sẽ bốc hơi, thẩm thấu vào đất hoặc giữ lại bởi cây xanh. Dựa vào công thức trong Sổ tay thoát nước của bang Georgia (AMEC Earth and Environmental, 2001) lương nước chảy bề mặt với điều kiện bê tông hóa 75% của lưu vực trung tâm sẽ là 65% lưu lượng mưa. Trong trường hợp mặt đất không bị bê tông hóa thì tỷ lệ này chỉ là 5%. 

Nhu cầu tiêu thụ nước đươc tính riêng cho dân cư và phi-dân cư (thương mại, văn phòng, giao thông, v.v…) dự theo các khảo sát trước đó về nhu cầu nước hộ gia đình và theo diện tích sàn công trình phi dân cư. Kết quả ước lượng cho thấy trong một dặm vuông của lưu vực trung tâm có 6.812 người sinh sống và 101.667 việc làm. Nhu cầu nước sạch của dân cư là 0.57 triệu gallon/ngày và của khu vực phi-dân cư là 2,89 triệu gallon/ngày. Như vậy lượng nước chảy bề mặt tương đương 47% tổng nhu cầu nước sạch (3.48 triệu gallon/ngày). Tổng thể hệ thống cung, phân phối và tiêu thoát nước được thể hiện qua sơ đồ lưu tuyến [Hình 7]. 

Sơ đồ lưu tuyến


Hình 6: Ba mô hình sử dụng tài nguyên: Truyền thống, Hiện đại, và Sinh thái.
Nguồn: (Suzuki, Dastur, Moffatt, Yabuki, & Maruyama, 2010).

Sơ đồ lưu tuyến [Flow diagram hay Meta-diagram] là một công cụ đồ họa để mô tả [phương hướng và lưu lượng] và phân tích các lưu tuyến [flow] năng lượng và vật chất [nước, thực phẩm, rác thải, v.v…]. Có ba mô hình tiêu thụ năng lượng và vật chất chủ yếu: Truyền thống – lưu lượng nhỏ nhưng đa dạng về nguồn sử dụng; Hiện đại – lưu lượng lớn nhưng đơn điệu về nguồn sử dụng; và Sinh thái – lưu lượng lớn với nguồn đa dạng và tái sinh [Hình 6] (Suzuki et al., 2010). Mô hình thứ ba cho thấy xu hướng chuyển dịch sang hệ thống quản lý tài nguyên linh động và thích nghi với những biến đổi về môi trường trong thế kỷ 21. Sơ đồ lưu tuyến do đó được sử dụng để so sánh các mô hình và tìm ra mô hình bền vững nhất.


Hình 7: Sơ đồ lưu tuyến thể hiện hệ thống nước hiện hữu (Hiện đại) và đề xuất (Sinh thái) với việc thu gom nước mưa để sử dụng tại chỗ.

Chúng tôi sử dụng Sơ đồ lưu tuyến để diễn tả mô hình tiêu thụ và quản trị nước tại lưu vực trung tâm Atlanta. Sơ đồ lưu tuyến cho thấy hệ thống nước tại lưu vực trung tâm Atlanta là một điển hình của mô hình Hiện đại trong sử dụng tài nguyên: 100% nguồn nước cấp phải “nhập khẩu” từ bên ngoài ranh giới thành phố trong khi lượng nước mưa lớn tại đây lại bị coi như nước thải ngoại trừ một phần nhỏ chảy vào khu vực cây xanh và có tác dụng tưới tiêu. Ngược lại, phương án thiết kế đô thị đề xuất với “mái xanh”, “đường xanh” và công viên ngập nước giúp chuyển đổi hệ thống hiện hữu sang mô hình Sinh thái: nước mưa được lưu trữ tại chỗ giúp đa dạng hóa nguồn nước cung cấp cho sinh hoạt và kinh doanh đồng thời làm giảm nguy cơ ngập lụt [Hình 7]. 

Kết luận

Nghiên cứu dưới chủ đề thành phố nước đã trình bày một cách rõ ràng những vấn đề của phương thức sử dụng và quản trị tài nguyên nước tại lưu vực trung tâm thành phố Atlanta: nước “máy” là nguồn duy nhất được sử dụng tại nơi mà nguồn này không thật sự dồi dào trong khi nước mưa lại bị đối xử như là phế thải và bị truyền tải ra khỏi lưu vực nhanh nhất có thể thông qua một hệ thống kênh, mương và cống nhân tạo, nhanh tới mức có thể trở thành nguyên nhân gây ra ngập lụt tại vùng hạ lưu. Quan trọng hơn, nghiên cứu đưa ra được giải pháp và minh chứng định lượng cho tính hiệu quả của những giải pháp thiết kế đô thị này, vốn không xa lạ với các nhà làm chính sách đô thị: mái xanh, đường xanh và công viên ngập nước sinh thái có thể giúp biến một cơn-lụt-chu-kỳ-25-năm thành cơn-lụt-chu-kỳ-2-năm [giảm 36% lưu lượng đỉnh] đồng thời giảm 15% nhu cầu nước sạch tại khu vực trung tâm thành phố. 


Hình 8: Lu và bể nước mưa từng là những bộ phận không thể thiếu trong các ngồi nhà của người Việt cách đây không lâu.
Nguồn: nguyethoa.net.

Thực tế thì mô hình Hiện đại trong sử dụng tài nguyên nước không phải là chuyện cá biệt của Atlanta hay các quốc gia phát triển mà phổ biến khắp thế giới. Ngay tại Việt Nam, chúng ta đã nhanh chóng chuyển từ mô hình Truyền thống: hứng nước mưa để dùng trong sinh hoạt gia đình, sang mô hình Hiện đại, cùng lúc với việc phải chống chọi với vấn nạn lụt trong đô thị và trả giá đắt cho hệ thống cấp nước có độ thất thoát quá cao (40% tại TP HCM). Trong khi chưa thể thực hiện mô hình Sinh thái trong quản trị tài nguyên nước như tại một số quốc gia phát triển, điển hình là Singapore (lưu trữ nước mưa + lọc nước thải), các nhà quy hoạch, thiết kế đô thị và kiến trúc sư cần đánh giá lại mô hình Truyền thống trong sử dụng nước, năng lượng và vật chất để có những ứng dụng thích hợp trong thời đại của Biến-đổi-khí-hậu và khan-hiếm-tài-nguyên.

  • Tác giả cảm ơn giáo sư Quy hoạch và Kiến trúc Perry Yang và giáo sư Quy hoạch và Kỹ thuật Thomas Debos tại Viện Công nghệ Georgia đã hướng dẫn cho nghiên cứu này. Nghiên cứu được thực hiện với sự hỗ trợ của Travis Hampton. 

Nguyễn Đỗ Dũng 
(Bài đăng Tạp chí Quy hoạch Đô thị số 13)

Tài liệu tham khảo: 

  • AECOM, M. W. M., R2T, Inc. (2009). Water Supply and Water Conservation Management Plan. Atlanta, GA: Metropolitan North Georgia Water Planning District.
  • AMEC Earth and Environmental, C. f. W. P., Debo and Associates, Jordan Jones and Goulding, Atlanta Regional Commission. (2001). GEORGIA STORMWATER MANAGEMENT MANUAL. Atlanta, GA: Atlanta Regional Commission.
  • Malik, B. K. (n.d.). Like Water for Energy, and Energy for Water. from http://www.eesi.org/080109_water_energy
  • McPherson, M. B. (1968). Systematic Study and Development of Long-Range Programs of Urban Water Resources Research. (NTIS No. PB 184318). Washington, D.C.
  • Suzuki, H., Dastur, A., Moffatt, S., Yabuki, N., & Maruyama, H. (2010). Eco2 Cities: Ecological cities as economic cities: World Bank Publications. 
 

Thêm bình luận


Mã an toàn
Đổi mã khác

Bảng quảng cáo