Mục lục bài họcĐang ở d04-b4
Storm Hydrographs, Urbanisation and Flood Management
Reading a storm hydrograph. Three quantities carry the meaning. Lag time is the interval between peak rainfall and peak discharge. Peak discharge is the maximum flow. The recession limb shows how quickly flow returns to base flow, which indicates how much water the basin stored and is releasing slowly. A basin with a short lag time, a high peak and a steep recession limb is one in which water reaches the channel quickly and little is retained.
What produces a flashy hydrograph. Impermeable surfaces — concrete, tarmac, roofs — prevent infiltration, and storm drains deliver rainfall to the channel in minutes rather than allowing it to travel through the soil for hours. Steep slopes, clay soils, soil that is already saturated, a circular basin shape in which all tributaries arrive together, sparse vegetation and high-intensity rainfall all work in the same direction. The opposite set — forest cover, sandy soils, gentle slopes, an elongated basin, wetlands, prolonged gentle rain — produces a long lag and a low peak.
Why urbanisation changes all three quantities at once. A single cause, the replacement of permeable ground with impermeable surfaces plus a drainage network, shortens the lag, raises the peak and steepens the recession. A basin whose lag falls from twelve hours to four and whose peak rises from forty to ninety-five cubic metres per second has not received more rain; the same rain now arrives at the channel far faster and more concentrated.
Hard engineering and the transfer of risk. Channelisation and straightening make water flow faster through the protected reach, which genuinely reduces flood risk there. But the same volume then arrives downstream sooner and more concentrated, so the downstream peak is higher than it was before the works. Embankments narrow the flood cross-section, raising water levels for those on the other bank. Dams are effective but trap sediment, which starves downstream floodplains and coastal deltas, and they displace communities. The general principle is that hard engineering usually transfers risk in space rather than removing it.
Soft engineering works in the opposite direction. Restoring natural floodplains, re-meandering channels, reforesting headwaters, and installing permeable surfaces and retention basins in cities all slow water down and store it where it falls. These measures are usually cheaper, deliver additional benefits in habitat and water quality, and adapt better to uncertainty. Their limitations are equally real: they require land, which is expensive near cities; they take years to become effective; and they may be insufficient for the very largest events, which is why the realistic answer is nearly always a combination — soft measures across the catchment, hard defences at the highest-value points, and land-use planning to keep new development out of the floodplain.
Cách đọc một biểu đồ thuỷ văn trận mưa. Ba đại lượng mang toàn bộ ý nghĩa. Thời gian trễ là khoảng cách giữa đỉnh mưa và đỉnh lưu lượng. Đỉnh lưu lượng là mức chảy lớn nhất. Nhánh xuống cho biết dòng chảy trở về mức nền nhanh hay chậm, tức cho biết lưu vực đã trữ được bao nhiêu nước và đang nhả ra từ từ. Một lưu vực có thời gian trễ ngắn, đỉnh cao và nhánh xuống dốc là lưu vực mà nước tới lòng sông rất nhanh và giữ lại được rất ít.
Cái gì tạo ra một biểu đồ nhọn. Bề mặt không thấm — bê tông, nhựa đường, mái nhà — ngăn nước thấm, và hệ thống cống thoát đưa nước mưa tới lòng sông trong vài phút thay vì để nó đi qua đất trong nhiều giờ. Sườn dốc, đất sét, đất đã bão hoà, lưu vực dạng tròn khiến mọi nhánh sông đổ về cùng lúc, thảm thực vật thưa và mưa cường độ cao đều tác động cùng một chiều. Bộ yếu tố ngược lại — rừng che phủ, đất cát, sườn thoải, lưu vực dài và hẹp, có đất ngập nước, mưa nhẹ kéo dài — cho thời gian trễ dài và đỉnh thấp.
Vì sao đô thị hoá làm đổi cả ba đại lượng cùng lúc. Chỉ một nguyên nhân duy nhất — việc thay mặt đất thấm nước bằng bề mặt không thấm cộng với mạng lưới thoát nước — làm ngắn thời gian trễ, nâng đỉnh lũ và làm dốc nhánh xuống. Một lưu vực có thời gian trễ tụt từ mười hai giờ xuống bốn giờ và đỉnh lũ tăng từ bốn mươi lên chín mươi lăm mét khối mỗi giây không hề nhận thêm mưa; chính lượng mưa đó nay tới lòng sông nhanh hơn và tập trung hơn.
Công trình cứng và việc chuyển dịch rủi ro. Kênh hoá và nắn thẳng làm nước chảy nhanh hơn qua đoạn được bảo vệ, và điều đó thật sự làm giảm nguy cơ lũ ở đó. Nhưng cùng khối nước ấy sau đó tới hạ lưu sớm hơn và tập trung hơn, nên đỉnh lũ ở hạ lưu cao hơn so với trước khi có công trình. Đê làm hẹp mặt cắt thoát lũ, nâng mực nước lên cho những người ở bờ bên kia. Đập có hiệu quả nhưng giữ lại trầm tích, làm đói phù sa các đồng bằng ngập lũ hạ lưu và vùng châu thổ ven biển, đồng thời buộc di dời cộng đồng. Nguyên tắc chung là công trình cứng thường CHUYỂN rủi ro trong không gian chứ không xoá bỏ nó.
Công trình mềm đi theo hướng ngược lại. Phục hồi vùng ngập tự nhiên, trả lại dạng uốn khúc cho lòng sông, trồng rừng đầu nguồn, và làm mặt thấm nước cùng hồ điều hoà trong đô thị đều làm chậm nước lại và trữ nó ngay tại nơi nó rơi xuống. Các biện pháp này thường rẻ hơn, mang lại lợi ích thêm về môi trường sống và chất lượng nước, và thích ứng tốt hơn với sự bất định. Hạn chế của chúng cũng thật không kém: chúng cần đất, mà đất gần đô thị thì đắt; chúng mất nhiều năm mới phát huy tác dụng; và chúng có thể không đủ cho những trận lũ cực lớn. Đó là lý do câu trả lời thực tế gần như luôn là một tổ hợp — biện pháp mềm trên toàn lưu vực, công trình cứng ở những điểm có giá trị cao nhất, và quy hoạch sử dụng đất để giữ các công trình mới ra khỏi vùng ngập.
Trước khi đô thị hoá, một lưu vực có thời gian trễ 12 giờ và đỉnh lưu lượng 40 m³/s. Sau khi 40% diện tích được đô thị hoá, thời gian trễ còn 4 giờ và đỉnh lưu lượng lên 95 m³/s, với cùng một trận mưa. (a) Tính mức thay đổi. (b) Giải thích cả ba thay đổi bằng một nguyên nhân. (c) Vì sao thời gian trễ ngắn nguy hiểm hơn cả đỉnh cao. (d) Đề xuất biện pháp.
(a) Mức thay đổi. Thời gian trễ giảm 8 giờ, tức còn một phần ba mức cũ. Đỉnh lưu lượng tăng 55 m³/s, tức tăng 55 ÷ 40 = 137,5%, hay gấp khoảng 2,4 lần. Nhánh xuống cũng dốc hơn.
(b) Một nguyên nhân giải thích cả ba. Bề mặt không thấm cộng với hệ thống cống thoát. Trước đô thị hoá, nước mưa thấm xuống đất rồi di chuyển chậm qua đất và qua tầng nước ngầm, mất nhiều giờ mới tới lòng sông — trễ dài, đỉnh thấp, và lượng nước trữ trong đất được nhả ra từ từ nên nhánh xuống thoải. Sau đô thị hoá, mưa rơi xuống mái nhà và mặt đường, chảy thẳng vào cống và tới lòng sông trong vài phút — trễ ngắn, cùng một khối nước dồn vào một khoảng thời gian ngắn nên đỉnh cao, và vì gần như không có nước trữ lại nên hết mưa là dòng chảy tụt nhanh. Cần nhấn mạnh: lưu vực không nhận thêm mưa; chỉ tốc độ và mức tập trung thay đổi.
(c) Vì sao thời gian trễ ngắn nguy hiểm hơn cả đỉnh cao. Đây là ý ăn điểm. Thời gian trễ chính là khoảng thời gian cảnh báo. Với 12 giờ, cơ quan phòng chống có thể dự báo, phát cảnh báo, sơ tán vùng thấp, đóng cửa cống và di chuyển tài sản. Với 4 giờ — mà một phần trong đó rơi vào ban đêm — thì gần như không kịp làm gì. Vì vậy đô thị hoá không chỉ làm lũ lớn hơn mà còn làm mất khả năng ứng phó, và thiệt hại về người tăng nhanh hơn nhiều so với mức tăng của đỉnh lũ.
(d) Biện pháp. Vì nguyên nhân là nước tới quá nhanh, biện pháp đúng phải làm chậm nước lại tại nguồn chứ không đẩy nó đi nhanh hơn. Cụ thể: mặt lát thấm nước cho bãi đỗ và vỉa hè; hồ điều hoà và bể ngầm giữ nước mưa rồi nhả từ từ; mái nhà xanh; vườn mưa và rãnh thấm dọc đường; và quy định buộc mọi công trình mới phải giữ lại lượng nước mưa tăng thêm do chính nó tạo ra. Kênh hoá lòng sông là biện pháp ngược chiều với chẩn đoán, và nó chỉ chuyển vấn đề xuống hạ lưu.
Một thành phố 300 000 dân nằm hai bên một con sông, bị lũ ba lần trong mười năm. Hội đồng cân nhắc hai phương án: kênh hoá và đắp đê dọc đoạn sông qua thành phố, hoặc phục hồi vùng ngập tự nhiên ở thượng lưu kèm trồng rừng đầu nguồn. Hãy đánh giá và khuyến nghị.
Phương án cứng — ưu điểm thật. Hiệu quả gần như ngay lập tức sau khi hoàn thành, mức bảo vệ tính toán được và cam kết được với người dân, và không cần thu hồi đất ở thượng lưu. Với một khu vực đã có giá trị tài sản rất cao như trung tâm thành phố, đây là lý do chính đáng.
Phương án cứng — ba nhược điểm. Một, chuyển rủi ro xuống hạ lưu: nước chảy nhanh hơn qua đoạn được bảo vệ nên tới hạ lưu sớm hơn và tập trung hơn, làm đỉnh lũ ở đó cao hơn trước — nếu hạ lưu là một thị trấn khác thì thành phố đang giải quyết vấn đề của mình bằng vấn đề của người khác. Hai, hiệu ứng đê: cảm giác an toàn khiến người ta xây thêm trong vùng vốn ngập, nên khi đê bị vượt hoặc vỡ thì thiệt hại lớn hơn nhiều so với trước khi có đê. Ba, chi phí duy tu vĩnh viễn, và mức bảo vệ được thiết kế theo tần suất lũ trong quá khứ nên có thể không còn phù hợp khi mưa cực đoan thay đổi.
Phương án mềm — ưu điểm. Nó tấn công đúng nguyên nhân là nước tới quá nhanh và quá tập trung. Rừng đầu nguồn tăng chặn mưa và tăng thấm; vùng ngập tự nhiên trữ nước rồi nhả từ từ. Chi phí thường thấp hơn, và có lợi ích kèm theo về chất lượng nước, môi trường sống và giữ cacbon. Quan trọng nhất, nó không chuyển rủi ro xuống hạ lưu mà giảm rủi ro cho cả lưu vực.
Phương án mềm — ba nhược điểm. Một, cần đất, và đất ở thượng lưu thuộc về người khác, nên phải mua lại hoặc chi trả cho chủ đất — một vấn đề chính trị chứ không chỉ tài chính. Hai, chậm: rừng mất mười tới hai mươi năm mới đạt hiệu quả đầy đủ, trong khi thành phố đang bị lũ ba lần mỗi mười năm. Ba, với những trận lũ cực lớn, khả năng trữ của lưu vực bão hoà và biện pháp mềm gần như hết tác dụng.
Khuyến nghị — tổ hợp có thứ tự. Không chọn một trong hai. Triển khai đồng thời: bắt đầu ngay các biện pháp mềm trên lưu vực vì chúng cần thời gian, đồng thời xây công trình cứng ở đúng những đoạn có mật độ tài sản và dân cư cao nhất chứ không dọc toàn tuyến. Bổ sung ba thành phần thường bị bỏ. Một, quy hoạch sử dụng đất cấm xây mới trong vùng ngập — đây là biện pháp rẻ nhất và hiệu quả nhất nhưng khó nhất về chính trị. Hai, hệ thống cảnh báo sớm, đặc biệt quan trọng vì đô thị hoá đã rút ngắn thời gian trễ. Ba, bảo hiểm và quy chuẩn xây dựng để giảm thiệt hại khi lũ vẫn xảy ra.
Câu chốt. Câu hỏi đúng không phải cứng hay mềm mà là ở đâu dùng cái gì: mềm trên toàn lưu vực để giảm nguồn gốc vấn đề, cứng tại các điểm giá trị cao, và quy hoạch để không tạo thêm rủi ro mới.
Bẫy 2 — chỉ chú ý đỉnh lưu lượng mà bỏ qua thời gian trễ. Thời gian trễ chính là thời gian cảnh báo; rút từ 12 giờ xuống 4 giờ làm mất khả năng sơ tán.
Bẫy 3 — coi kênh hoá là giải pháp chống lũ. Nó làm đoạn được bảo vệ an toàn hơn nhưng CHUYỂN rủi ro xuống hạ lưu, và còn sinh ra hiệu ứng đê khiến người ta xây thêm trong vùng ngập.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Freshwater: Drainage Basins gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.