Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng đảo nhiệt đô thị do quá trình đô thị hóa đến sự thay đổi lượng mưa trên địa bàn thành phố hồ chí minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ THÚY OANH NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ THAY ĐỔI CƠ CẤU SỬ DỤNG ĐẤT VÀ HIỆU ỨNG ĐẢO NHIỆT ĐÔ THỊ DO ĐÔ THỊ HÓA ĐẾN LƢỢNG MƢA HIỆU QUẢ TRÊN ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Chuyên ngành: Quản lý môi trƣờng Mã số: 608510 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 3 năm 2015 Công trình đƣợc hoàn thành tại: Trƣờng Đại học Bách Khoa –ĐHQG-HCM Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: TS. LƢƠNG VĂN VIỆT (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1: ........................................................................ (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 : ........................................................................ (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . . Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. ............................................................ 2. ............................................................ 3. ............................................................ 4. ............................................................ 5. ............................................................ Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA………… ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Thị Thúy Oanh Ngày, tháng, năm sinh: 28/04/1988 Chuyên ngành: Quản lý môi trƣờng MSHV: 12260672 Nơi sinh: Kon Tum Mã số: 608510 I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ THAY ĐỔI CƠ CẤU SỬ DỤNG ĐẤT VÀ HIỆU ỨNG ĐẢO NHIỆT ĐÔ THỊ DO ĐÔ THỊ HÓA ĐẾN LƢỢNG MƢA HIỆU QUẢ TRÊN ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH. II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng của quá trình đô thị hóa đến việc gia tăng lƣợng mƣa hiệu quả, phục vụ tính toán thiết kế mạng lƣới tiêu thoát nƣớc. Thực hiện các nội dung nghiên cứu sau: Nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng của sự thay đổi cơ cấu sử dụng đất và hiệu ứng đảo nhiệt đô thị do quá trình đô thị hóa đến gia tăng cƣờng độ mƣa. Xây dựng biểu đồ mƣa thiết kế cho Thành phố Hồ Chí Minh. Đánh giá cơ cấu sử dụng đất trên địa bàn nghiên cứu. Từ đó xây dựng biểu đồ mƣa hiệu quả cho khu vực nghiên cứu. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20/01/2014 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14/11/2014 V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN : TS. LƢƠNG VĂN VIỆT Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2015 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƢỞNG KHOA MÔI TRƢỜNG LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên, tôi gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Bách Khoa đã tạo điều kiện cho tôi thực hiện luận văn, tất cả Quý Thầy Cô khoa Môi trƣờng của trƣờng Đại học Bách Khoa, những ngƣời đã truyền đạt cho tôi những kiến thức hữu ích trong chƣơng trình học Cao học làm cơ sở cho tôi thực hiện tốt luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Lƣơng Văn Việt, Thầy đã tận tình hƣớng dẫn chỉ bảo cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn để tôi có thể hoàn thành tốt bài làm của mình. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Phân viên Khí tƣợng Thủy văn và Môi trƣờng phía Nam đã nhiệt tình cung cấp tài liệu cho tôi trong thời gian thực hiện luận văn. Sau cùng, tôi gửi lời biết ơn sâu sắc tới gia đình luôn tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học cũng nhƣ làm luận văn. Thời gian thực hiện có hạn và kinh nghiệm nghiên cứu khoa học chƣa nhiều nên luận văn còn nhiều thiếu sót, tôi rất mong nhận đƣợc những đóng góp ý kiến của Quý Thầy, Cô và các anh chị học viên để luận văn này đƣợc hoàn thiện hơn. Tp, Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2015 Học viên Nguyễn Thị Thúy Oanh TÓM TẮT Thành phố Hồ Chí Minh (TP HCM) có tốc độ đô thị hóa rất nhanh. Đồng thời, khu vực nghiên cứu này có nguy cơ ngập lụt do triều cƣờng, mƣa lớn khá cao, hệ thống tiêu thoát nƣớc còn hạn chế. Đề tài tập trung nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng của quá trình đô thị hóa đến việc gia tăng lƣợng mƣa hiệu quả, phục vụ tính toán thiết kế mạng lƣới tiêu thoát nƣớc trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh. Đề tài đã chọn quận Gò Vấp làm điểm nghiên cứu (đại diện cho thành phố Hồ Chí Minh) về ảnh hƣởng của quá trình phát triển đô thị làm thay đổi cơ cấu sử dụng đất tác động đến lƣợng mƣa hiệu quả. Nghiên cứu này đã sử dụng phƣơng pháp tính thấm của Cục thổ nhƣỡng Hoa Kỳ (Soil Conservation Service – SCS) để tính toán độ sâu mƣa hiệu quả. Ngoài ra nghiên cứu cũng sử dụng phƣơng pháp viễn thám và hệ thống thông tin địa lý trong tính toán biến động cơ cấu sử dựng đất. Kết quả nghiên cứu này đã chỉ ra rằng: lƣợng mƣa trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh gia tăng khá rõ rệt. Trong giai đoạn 1995– 2012, thời đoạn mƣa 15 phút có mức tăng là 5,4 mm và sự gia tăng cƣờng độ mƣa trên khu vực TP HCM chủ yếu là do quá trình đô thị hóa. Bên cạnh đó, quá trình đô thị hóa phát triển mạnh mẽ đã tạo ra sự thay đổi đáng kể cơ cấu sử dụng đất. Việc chuyển đổi mục đích sử dụng đất cho phát triển đô thị đã làm giảm đáng kể tỷ lệ cây xanh và mặt nƣớc, các lớp phủ bề mặt thay đổi theo xu hƣớng giảm diện tích lớp phủ đất trống có lớp phủ thực vật và gia tăng lớp phủ khu đất xây dựng đô thị. Cụ thể nhƣ sau: đất trống có lớp phủ thực vật <75% có diện tích giảm đi rất lớn (26,37%). Thay thế cho việc suy giảm không gian lớp phủ này thì đó là sự gia tăng đáng kể diện tích lớp phủ khu đất xây dựng đô thị (32,18%). Sự phát triển đô thị làm cho các bề mặt tự nhiên cũ đƣợc thay thế bằng các loại vật liệu xây dựng, đây là các loại vật liệu có khả năng hấp thụ nhiệt cao và không thấm nƣớc đã làm tăng nhiệt độ bề mặt và lớp không khí sát mặt gây hiệu ứng đảo nhiệt đô thị, hiệu ứng này thúc đẩy hoạt động đối lƣu. Ngoài ra, do sự phát triển các công trình xây dựng đã làm gia tăng độ gồ ghề của bề mặt, tạo điều kiện cho nhiễu động của trƣờng gió và hội tụ gió trên khu vực đô thị. Tại TP HCM, trong giai đoạn 1995 – 2012, ảnh hƣởng của hiệu ứng đảo nhiệt đô thị do quá trình đô thị hóa đã làm gia tăng nhiệt độ bề mặt lên 0,018 oC/năm. Việc không gian tăng lên phần đất xây dựng đô thị với hầu hết bề mặt vật liệu xây dựng đã làm cho bề mặt không thấm đƣợc khi mƣa xuống, làm cho cƣờng độ dòng chảy trở nên mạnh mẽ và gây nguy cơ ngập lụt trên một số địa điểm trên địa bàn khi xuất hiện những cơn mƣa có cƣờng độ lớn. Việc gia tăng lƣợng mƣa, cƣờng độ đã gây nên tình trạng ngập lụt trên địa bàn TP. HCM. Để cải thiện tình trạng ngập lụt trên địa bàn nghiên cứu cần có những giải pháp qui hoạch phát triển đô thị một cách hợp lý. Từ khóa: cơ cấu sửa dụng đất, lƣợng mƣa hiệu quả, UHI ABSTRACT Ho Chi Minh City (HCMC) faces to rapid urbanization. At the same time, this area is at risk of flooding due to tides, high rainfall, and limited drainage systems. This thesis focuses on assessing the impact of urbanization to the increase of precipitation efficiency, in order to calculate the drainage network in Ho Chi Minh City. The study area is Go Vap district (representing for Ho Chi Minh City) to study the impact of urbanization which alters the structure of land use impacting on precipitation efficiency. This study uses the method of Soil Conservation Service - SCS to calculate the effective rainfall depth. In addition, the research also uses Remote Sensing and Geographic Information Systems in calculating the changes of land use structure. The results show that rainfall in Ho Chi Minh City increased quite significantly. From 1995 to 2012, periods of rain for 15 minutes had an increase of 5.4 mm. An increase in precipitation intensity in HCMC is mainly due to the urbanization process. Besides, the process of rapid urbanization has made the considerable changes in land use structure. The purpose of land use for urban development has a significantly reduction in the proportion of trees and water, the surface changes towards falling in bare land with plants and rising in urban construction land. Specifically as follows: bare land with plants <75% has a big reduction (26.37%). Instead of this trend, it is a significant rising in the urban construction land (32.18%). The urban development makes the natural surface is replaced by construction, these materials absorb high temperature and impervious, which makes high temperature surface and air layer closed to the surface. As the result, it causes urban heat island effect, making convection. Also, the development of construction has increased the roughness of the surface, enabling the wind and the wind convergence in urban area. Between 1995 and 2012, in HCMC, the impact of urban heat island effect caused by the process of urbanization has increased the surface temperature to 0.018 ° C /year. The increase in construction land with concrete materials surface makes impermeable surfaces when raining. It also makes the stronger flow intensity and the risk of urban flooding in some locations when high intense rainfall occurs. The increase in rainfall intensity has caused flooding in the Ho Chi Minh City. To improve the flooding issue in study area, it should have some methods for reasonable urban development plans. Keywords: land use planning, effective rainfall, UHI LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là sản phẩm nghiên cứu của tôi, số liệu trong luận văn đƣợc điều tra trung thực, tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. Học viên Nguyễn Thị Thúy Oanh MỤC LỤC MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................................... 2 3. Phạm vi và đối tƣợng nghiên cứu .............................................................................. 2 4. Ý nghĩa của đề tài ........................................................................................................ 2 5. Phƣơng pháp nghiên cứu............................................................................................ 3 Chƣơng 1: TỔNG QUAN ............................................................................................... 6 1.1. Khái quát tình hình đô thị hóa ................................................................................ 6 1.1.0. Khái niệm về đô thị và đô thị hóa ...................................................................6 1.1.1. Tình hình phát triển đô thị trên thế giới ..........................................................7 1.1.2. Tình hình đô thị hóa ở Việt Nam ..................................................................12 1.1.3. Tình hình đô thị hóa thành phố Hồ Chí Minh ...............................................14 1.2. Hiệu ứng đảo nhiệt đô thị ...................................................................................... 16 1.2.1. Khái niệm đảo nhiệt đô thị ............................................................................16 1.2.2. Các ảnh hƣởng của đảo nhiệt đô thị ..............................................................17 1.3. Tổng quan quận Gò Vấp, thành phố Hồ Chí Minh ............................................ 18 1.3.1. Điều kiện tự nhiên: ........................................................................................18 1.3.2. Tình hình phát triển kinh tế - xã hội..............................................................21 1.3.3. Tình hình ngập lụt .........................................................................................24 1.4. Tổng quan về lƣợng mƣa hiệu quả ....................................................................... 26 1.4.1. Khái quát lƣợng mƣa hiệu quả ......................................................................26 1.4.2. Ảnh hƣởng của quá trình đô thị hóa đến lƣợng mƣa hiệu quả......................31 1.5. Tình hình nghiên cứu ............................................................................................. 31 1.5.1. Nghiên cứu về đảo nhiệt đô thị .....................................................................32 1.5.2. Nghiên cứu về sử dụng ảnh viễn thám để đánh giá biến động sử dụng đất ..34 1.6. Đề xuất định hƣớng nghiên cứu ............................................................................ 36 Chƣơng 2: NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................ 37 2.1. Nội dung nghiên cứu .............................................................................................. 37 2.1.1. Nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng của quá trình đô thị hóa đến gia tăng cƣờng độ mƣa .....................................................................................................................37 2.1.2. Xây dựng biểu đồ mƣa thiết kế cho thành phố Hồ Chí Minh .......................38 2.1.3. Đánh giá biến động sử dụng đất quận Gò Vấp .............................................39 2.1.4. Xây dựng biểu đồ mƣa hiệu quả trên khu vực nghiên cứu ...........................40 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu....................................................................................... 40 2.2.1. Phƣơng pháp xác định xu thế nhiệt độ và cƣờng độ mƣa .............................40 2.2.2. Phƣơng pháp xây dựng biểu đồ mƣa thiết kế ...............................................41 Trang i 2.2.3. Phƣơng pháp xác định lƣợng mƣa hiệu quả: ................................................42 2.2.4. Phƣơng pháp phân tích ảnh viễn thám trong đánh giá biến động sử dụng đất và xác định chỉ số CN .............................................................................................44 Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................... 60 3.1. Nghiên cứu ảnh hƣởng của quá trình đô thị hóa đến gia tăng lƣợng mƣa....... 60 3.1.1. Phân tích hiệu ứng đảo nhiệt đô thị HCM ....................................................60 3.1.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của quá trình đô thị hóa đến gia tăng cƣờng độ mƣa .................................................................................................................................62 3.2. Kết quả xây dựng biểu đồ mƣa thiết kế cho Tp. HCM ...................................... 65 3.2.1. Xây dựng biểu đồ mƣa thiết kế cho Tp. HCM 1995-2012 ...........................65 3.2.1. Xây dựng biểu đồ mƣa thiết kế cho Tp. HCM 2008-2025 ..........................66 3.3. Đánh giá biến động sử dụng đất quận gò vấp ..................................................... 68 3.3.1. Kết quả phân loại thực phủ ...........................................................................68 3.3.2. Đánh giá độ chính xác của kết quả phân loại................................................75 3.3.3. Đánh giá sự thay đổi cơ cấu sử dụng đất từ 1995 - 2014..............................81 3.4. Kết quả xây dựng biểu đồ mƣa hiệu quả ............................................................. 83 3.4.1. Giá trị CN và khả năng lƣu giữ lớn nhất (S) vào các năm ............................83 3.4.2. Tính lƣợng tổn thất ban đầu (Ia), lƣợng tổn thất thấm liên tục (Fa), lƣợng mƣa hiệu quả (Pe) ....................................................................................................84 3.4.3. Đánh giá sự thay đổi của biểu đồ mƣa hiệu quả ...........................................93 3.4.4. Đánh giá sự ảnh hƣởng của quá trình đô thị hóa đến lƣợng mƣa hiệu quả của quận Gò Vấp ...........................................................................................................95 3.4.5. Đề xuất các giải pháp ....................................................................................95 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ .......................................................................................... 98 Kết luận .......................................................................................................................... 98 Kiến nghị ........................................................................................................................ 99 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................... 100 Trang ii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Mức độ đô thị hóa (%) tại một số vùng của thế giới: 1970-2000...................13 Bảng 1.2. Mức độ đô thị hóa (%) ở các nƣớc Đông Nam Á: 1970-2000 .......................14 Bảng 1.3. Các điểm ngập địa bàn quận Gò Vấp .............................................................25 Bảng 2.1. Các trạm đo nhiệt độ phục vụ nghiên cứu ......................................................37 Bảng 2.2. Nhiệt độ trung bình tại trạm Tân Sơn Hòa từ 1995 - 2012 ............................38 Bảng 2.3. Các trạm đo mƣa phục vụ nghiên cứu ............................................................38 Bảng 2.4. Thông tin dữ liệu ảnh viễn thám Landsat đã thu thập ....................................39 Bảng 2.5. Bảng thể hiện sai số của thao tác đăng kí tọa độ ảnh trong quá trình nắn chỉnh ảnh. ..................................................................................................................................46 Bảng 2.6. Giải đoán ảnh phục vụ trong nghiên cứu ........................................................52 Bảng 2.7. Bảng giá trị CN cho các giá trị của CN đối với tình hình sử dụng đất khác nhau nhƣ sau: ..................................................................................................................59 Bảng 3.1. Mức gia tăng nhiệt độ trung bình năm tại 6 trạm giai đoạn 1995 - 2012 .......61 Bảng 3.2. Mức độ biến đổi nhiệt độ giai đoạn 1995 - 2012 ...........................................61 Bảng 3.3. Xu thế lƣợng mƣa ngày, giai đoạn 1995-2012 (mm) .....................................63 Bảng 3.4. Cƣờng độ mƣa lớn nhất theo thời đoạn trạm Tân Sơn Hòa, giai đoạn 19952012 .................................................................................................................................64 Bảng 3.5.Kết quả xu thế gia tăng cƣờng độ mƣa giai đoạn 1995-2012.........................64 Bảng 3.6. Kết quả biểu đồ mƣa thiết kế trạm Tân Sơn Hòa giai đoạn 1995 – 2012 với chu kỳ lặp lại 5 năm ........................................................................................................65 Bảng 3.7. Kết quả tính toán giá trị của đƣờng biểu diễn cƣờng độ mƣa thiết kế giai đoạn 2008-2025. ......................................................................................................................66 Bảng 3.8. Bảng diện tích các lớp thực phủ năm 1995 ....................................................68 Bảng 3.9. Bảng diện tích các lớp thực phủ năm 2000 ....................................................70 Bảng 3.10. Bảng diện tích các lớp thực phủ năm 2005 ..................................................71 Bảng 3.11. Bảng diện tích các lớp thực phủ năm 2010 ..................................................73 Bảng 3.12. Bảng diện tích các lớp thực phủ năm 2014 ..................................................74 Bảng 3.13. Bảng ma trận sai số năm 1995 ......................................................................76 Bảng 3.14. Bảng ma trận sai số năm 2000 ......................................................................77 Bảng 3.15. Bảng ma trận sai số năm 2005 ......................................................................78 Bảng 3.16. Bảng ma trận sai số năm 2010 ......................................................................78 Bảng 3.17. Bảng phân loại sai số năm 2014 ...................................................................80 Bảng 3.18. Biến động cơ cấu sử dụng đất giai đoạn 1995 - 2014 .................................82 Bảng 3.19. Bảng giá trị CN và khả năng lƣu giữ lớn nhất (S) qua các mốc thời gian. ..84 Bảng 3.20. Bảng tính độ sâu mƣa hiệu quả chu kì 5 năm đối với năm 1995 .................85 Bảng 3.21. Bảng độ sâu mƣa hiệu quả chu kì 5 năm đối với năm 2000 .........................86 Bảng 3.22. Bảng độ sâu mƣa hiệu quả chu kì 5 năm đối với năm 2005 .........................86 Bảng 3.23. Bảng độ sâu mƣa hiệu quả chu kì 5 năm đối với năm 2010 .........................87 Bảng 3.24. Bảng độ sâu mƣa hiệu quả chu kì 5 năm đối với năm 2014 .........................87 Bảng 3.25. Bảng độ sâu mƣa hiệu quả theo chu kì lặp lại 10 năm của các năm 1995, 2000, 2005, 2010, 2014. ..................................................................................................89 Bảng 3.26. Bảng độ sâu mƣa hiệu quả theo chu kì lặp lại 20 năm của các năm 1995, 2000, 2005, 2010, 2014. ..................................................................................................90 Bảng 3.27. Bảng độ sâu mƣa hiệu quả theo chu kì lặp lại 50 năm của các năm 1995, 2000, 2005, 2010, 2014. ..................................................................................................91 Bảng 3.28. Bảng độ sâu mƣa hiệu quả theo các chu kì lặp lại 5 năm, 10 năm, 20 năm, 50 năm giai đoạn hiện nay đến 2025...............................................................................93 Trang iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ, BIỂU ĐỒ Hình 1.1. Tỷ lệ dân cƣ đô thị toàn quốc từ năm 1931 – 2009 ........................................12 Hình 1.2. Mô phỏng hiệu ứng đảo nhiệt đô thị ...............................................................17 Hình 1.3. Bản đồ ranh giới hành chính quận Gò Vấp .....................................................19 Hình 1.4. Hình vẽ mô tả lƣợng mƣa hiệu quả (Huf 1982, Genereux 1993) ...................27 Hình 1.5. Các biến số trong phƣơng pháp tính thấm Green – Ampt ..............................30 Hình 2.1. Sơ đồ phƣơng pháp luận nghiên cứu...............................................................40 Hình 2.2. Biểu đồ mƣa thiết kế .......................................................................................41 Hình 2.3. Quy trình tính lƣợng mƣa hiệu quả .................................................................43 Hình 2.4. Các biến số của tổn thất dòng chảy trong phƣơng pháp SCS .........................43 Hình 2.5. Quy trình thực hiện Phân tích ảnh viễn thám trong đánh giá biến động sử dụng đất ...........................................................................................................................45 Hình 2.6. Ảnh trƣớc khi nắn chỉnh..................................................................................47 Hình 2.7. Ảnh sau khi tiến hành nắn chỉnh .....................................................................47 Hình 2.8. Phƣơng pháp tổ hợp màu trong viễn thám ......................................................49 Hình 2.9. Ảnh Landsat TM tổ hợp màu tự nhiên 4-3-2, ngày 02/02/1995 ......................50 Hình 2.10. Ảnh Landsat TM tổ hợp màu hồng ngoại 5-4-3, ngày 02/02/1995 ...............50 Hình 2.11. Kết quả cắt ảnh khu vực quận Gò Vấp. .........................................................51 Hình 2.12. Mô tả sự phân loại theo phƣơng pháp MLC .................................................54 Hình 2.13. Ảnh tổ hợp màu trƣớc khi phân loại .............................................................56 Hình 2.14. Ảnh sau khi phân loại theo phƣơng pháp MLC ............................................56 Hình 2.15. Ảnh Landsat TM trƣớc khi tái phân loại .......................................................57 Hình 2.16. Ảnh Landsat TM sau khi tái phân loại ..........................................................57 Hình 3.1. Xu thế biến đổi nhiệt độ trung bình năm ở TP. HCM giai đoạn 1995 -2012 tại trạm khi tƣợng Tân Sơn Hòa ...........................................................................................60 Hình 3.2. Xu thế lƣợng mƣa ngày ứng với lƣợng mƣa trên 10mm ................................63 Hình 3.3. Biểu đồ mƣa thiết kế cho chu kỳ lặp lại 5 năm giai đoạn 1995-2012.............66 Hình 3.4. Biểu đồ mƣa thiết kế cho chu kỳ lặp lại 5 năm giai đoạn 2008-2025.............67 Hình 3.5. So sánh lƣợng mƣa hai giai đoạn với chu kỳ lặp lại 5 năm ............................67 Hình 3.6. Bản đồ lớp thực phủ quận Gò Vấp năm 1995 .................................................69 Hình 3.7. Bản đồ lớp thực phủ quận Gò Vấp năm 2000 .................................................71 Hình 3.8. Bản đồ lớp thực phủ quận Gò Vấp năm 2005 .................................................72 Hình 3.9. Bản đồ lớp thực phủ quận Gò Vấp năm 2010 .................................................74 Hình 3.10. Bản đồ lớp thực phủ quận Gò Vấp năm 2014. ..............................................74 Hình 3.11. Sự biến động diện tích giữa khu đất xây dựng đô thị (đồ thị bên trái) và đất có lớp phủ thực vật < 75 % (đồ thị bên phải)..................................................................83 Hình 3.12. Biểu đồ so sánh độ sâu mƣa hiệu quả chu kì lặp lại 5 năm giữa các năm 1995, 2000, 2005, 2010, 2014. ........................................................................................88 Hình 3.13. Biểu đồ so sánh độ sâu mƣa hiệu quả chu kì lặp lại 10 năm giữa các năm 1995, 2000, 2005, 2010, 2014. ........................................................................................89 Hình 3.14. Biểu đồ so sánh độ sâu mƣa hiệu quả chu kì lặp lại 20 năm giữa các năm 1995, 2000, 2005, 2010, 2014. ........................................................................................91 Hình 3.15. Biểu đồ so sánh độ sâu mƣa hiệu quả chu kì lặp lại 50 năm giữa các năm 1995, 2000, 2005, 2010, 2014. ........................................................................................92 Trang iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CNH Công nghiệp hóa ĐTH Đô thị hóa ĐH Đại học ĐPGKG Độ phân giải không gian GDP Tổng sản phẩm quốc nội (Gross Domestic Product) GIS Hệ thống thông tin địa lý HĐH Hiện đại hóa IDF Intensity – Duration – Frequency KCN Khu công nghiệp KCX Khu chế xuất MKT Mặt không thấm NĐBM Nhiệt độ bề mặt NXB Nhà xuất bản RS Viễn thám TĐTDS Tổng điều tra dân số và nhà ở TP HCM Thành phố Hồ Chí Minh UHI Hiệu ứng đảo nhiệt đô thị (Urban Heat Island Effect) UN Liên hiệp quốc (United Nations) Trang v MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM) là một thành phố có tốc độ phát triển kinh tế và sự gia tăng dân số nhanh nhất cả nƣớc. Dự tính đến năm 2025 mật độ dân số thành phố khoảng 10 triệu ngƣời [20]. Thành phố Hồ Chí Minh là vùng đô thị lớn nhất ở Việt Nam hiện nay, đang trong quá trình phát triển mạnh mẽ để hƣớng đến trở thành một trong những siêu đô thị của châu Á. Thành phố Hồ Chí Minh đang mở rộng ra bên ngoài không chỉ về không gian, mà còn về quản lý đô thị và liên kết phát triển để hình thành vùng đô thị lớn của cả nƣớc, cũng là vùng kinh tế trọng điểm phía Nam. Quá trình đô thị hóa nơi đây đã phát triển mạnh mẽ tạo ra sự thay đổi đáng kể cơ cấu sử dụng đất. Việc chuyển đổi mục đích sử dụng đất cho phát triển đô thị đã làm giảm đáng kể tỷ lệ cây xanh và mặt nƣớc, các lớp phủ bề mặt thay đổi theo xu hƣớng giảm diện tích lớp phủ đất trống có lớp phủ thực vật và gia tăng lớp phủ khu đất xây dựng đô thị. Sự phát triển đô thị làm cho các bề mặt tự nhiên cũ đƣợc thay thế bằng các loại vật liệu xây dựng, đây là các loại vật liệu có khả năng hấp thụ nhiệt cao và không thấm nƣớc đã làm tăng nhiệt độ bề mặt và lớp không khí sát mặt gây hiệu ứng đảo nhiệt đô thị, hiệu ứng này thúc đẩy hoạt động đối lƣu. Ngoài ra, do sự phát triển các công trình xây dựng đã làm gia tăng độ gồ ghề của bề mặt, tạo điều kiện cho nhiễu động của trƣờng gió và hội tụ gió trên khu vực đô thị. Đây là những nguyên nhân dẫn đến lƣợng mƣa trên khu vực TP.HCM lớn hơn khu vực xung quanh. Khi đô thị phát triển, ngoài việc gia tăng lƣợng mƣa do cƣờng độ hiệu ứng đảo nhiệt tăng, lƣợng mƣa hiệu quả (lƣợng mƣa tạo dòng chảy mặt) cũng gia tăng do khả năng thấm của mặt giảm. Kết quả tổng hợp là lƣợng nƣớc mƣa cần tiêu thoát trên khu vực có đô thị hóa tăng đáng kể. Trong các quận huyện của TP.HCM thì quận Gò Vấp là quận có tốc độ đô thị hóa cao, bên cạnh đó khu vực này còn có nguy cơ ngập lụt do triều cƣờng, mƣa lớn, hệ thống tiêu thoát nƣớc còn hạn chế, đòi hỏi các phƣơng pháp tính toán chi tiết và toàn diện phục vụ tiêu thoát nƣớc lâu dài. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng của quá trình đô thị hóa đến việc gia tăng lƣợng mƣa hiệu quả, phục vụ tính toán thiết kế mạng lƣới tiêu thoát nƣớc, phòng chống ngập lụt trên địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh. Đó cũng chính là lý do tôi chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi cơ cấu sử dụng đất và hiệu ứng đảo nhiệt đô thị do đô thị hóa đến lượng mưa hiệu quả trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh”. 1 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng của quá trình đô thị hóa đến việc gia tăng lƣợng mƣa hiệu quả, phục vụ tính toán thiết kế mạng lƣới tiêu thoát nƣớc. 3. Phạm vi và đối tƣợng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Địa bàn thành phố Hồ Chí Minh. Nghiên cứu cụ thể quận Gò Vấp. Chọn quận Gò Vấp làm điểm nghiên cứu (đại diện cho thành phố Hồ Chí Minh) về ảnh hƣởng của quá trình phát triển đô thị làm thay đổi cơ cấu sử dụng đất tác động đến lƣợng mƣa hiệu quả. Thời gian nghiên cứu: giai đoạn 1995 - 2012 Đối tƣợng nghiên cứu Tình hình sử dụng đất Biểu đồ mƣa thiết kế Biểu đồ mƣa hiệu quả 4. Ý nghĩa của đề tài Ý nghĩa khoa học Đề tài xây dựng trên cơ sở khoa học và thực tiễn đáng tin cậy làm cơ sở khoa học cho cơ quan quản lý nhà nƣớc, phục vụ thiết kế và quy hoạch hệ thống tiêu thoát nƣớc cho khu vực thành phố Hồ Chí Minh. Đề tài góp phần hoàn thiện thêm về phƣơng pháp luận cũng nhƣ phƣơng pháp nghiên cứu về tác động đến môi trƣờng tự nhiên của quá trình đô thị hóa trong xu thế phát triển bền vững. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên đề tài về ảnh hƣởng của ảnh hƣởng của sự thay đổi cơ cấu sử dụng đất, hiệu ứng đảo nhiệt đô thị (Urban Heat Island Effect – UHI) do quá trình đô thị hóa đến gia tăng cƣờng độ mƣa qua các năm sẽ là một trong những cơ sở thực tiễn giúp cho quy hoạch phát triển đô thị bền vững, quy hoạch mục đích sử dụng đất một cách phù hợp khi xem xét đến các đặc trƣng của môi trƣờng khí hậu, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu làm cho môi trƣờng ngày càng nóng bức nhƣ hiện nay. Kết quả mô hình mƣa thiết kế của thành phố Hồ Chí Minh sẽ là định hƣớng cho các cơ quan quản lý đƣa ra chiến lƣợc quy hoạch thiết kế hệ thống tiêu thoát nƣớc đô thị. 2 5. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp thu thập, tổng quan tài liệu và phân tích số liệu - Tiếp cận và thu thập các nguồn tài liệu, số liệu, bản đồ từ các cơ quan quản lý; - Truy cập thông tin trên mạng internet; - Các số liệu thu thập đƣợc lƣu trữ và xử lý bằng phần mềm Microsoff Excel. Thu thập số liệu từ các cơ quan liên quan: Phân viện Khí tƣợng Thủy văn và Môi trƣờng phía Nam, Sở Tài nguyên & Môi trƣờng thành phố Hồ Chí Minh, Cục Thống kê thành phố Hồ Chí Minh, Đài Khí tƣợng Thủy văn Nam bộ. Các nguồn số liệu bao gồm: - Niên giám thống kê thành phố Hồ Chí Minh năm 2012 - Số liệu quan trắc trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh, số liệu của các trạm đo mƣa lân cận là Tân Sơn Hòa; Vũng Tàu; Biên Hòa; Xuân Lộc; Trị An; Đồng Phú; Sở Sao; Tây Ninh; Tân An; Mộc Hóa; Mỹ Tho; Ba Tri. - Các báo cáo, nghiên cứu về quá trình đô thị hóa ở thành phố Hồ Chí Minh theo từng thời kì. - Các báo cáo chuyển đổi cơ cấu sử dụng đất tại thành phố Hồ Chí Minh trong những năm qua. Ngoài ra còn có các bản đồ về địa hình, địa mạo, mạng lƣới và trạm quan trắc về khí tƣợng. Đồng thời kế thừa các kết quả nghiên cứu sẵn có từ địa phƣơng và báo cáo khoa học có liên quan. Phƣơng pháp này giúp tác giả kế thừa các thông tin đã có từ các tài liệu, kết quả điều tra hoặc các nghiên cứu liên quan trƣớc đây để phân tích và tổng hợp các thông tin cần thiết.  Tổng hợp thông tin và các số liệu cần thiết qua các báo cáo, đề tài liên quan và các nguồn thông tin cần thiết phục vụ cho việc thực hiện đề tài.  Kết quả số liệu thu thập đƣợc từ nghiên cứu tài liệu, số liệu thống kê, quan trắc tồn tại dƣới hai dạng: - Thông tin định tính - Thông tin định lƣợng. 3 Các thông tin này cần đƣợc xử lý để xây dựng các luận cứ, phục vụ cho việc chứng minh hoặc bác bỏ các giả thuyết khoa học. Có hai phƣơng hƣớng xử lý thông tin: - Xử lý logic đối với thông tin định tính. Đây là việc đƣa ra những phán đoán về bản chất của sự kiện. - Xử lý toán học đối với các thông tin định lƣợng. Đây là việc sử dụng phƣơng pháp thống kê toán học, các phần mềm ứng dụng để xác định xu hƣớng, diễn biến của tập hợp số liệu thu thập đƣợc. Phƣơng pháp thống kê - Xử lý thống kê số liệu nhiệt độ, lƣợng mƣa. Từ các số liệu thu thập tại các trạm đo, trạm quan trắc sẽ đƣợc tổng hợp. Sau đó biểu diễn dữ liệu bằng đồ họa trong đó các đồ thị mô tả dữ liệu hoặc giúp so sánh dữ liệu; Biểu diễn dữ liệu thành các Bảng số liệu tóm tắt về dữ liệu. Phƣơng pháp hệ thống thông tin địa lý (GIS) và Viễn Thám (RS) GIS là một hệ thống thông tin gắn kết với địa lý và bao gồm các công cụ phần cứng và phần mềm với chức năng: thu thập, lƣu trữ, chỉnh sửa, truy cập, phân tích và mô hình hóa phục vụ bài toán quy hoạch và quản lý. Việc sử dụng GIS trong đề tài này để thực hiện các nội dung chính sau: - Xử lý dữ liệu không gian khu vực nghiên cứu bao gồm: dữ liệu về sử dụng đất, thổ nhƣỡng, mƣa... - Thống kê dữ liệu về sử dụng đất và chỉ số CN (Curve Number) phục vụ tính lƣợng mƣa hiệu quả Viễn thám (RS) là khoa học thu nhận từ xa các thông tin về các đối tƣợng, hiện tƣợng trên trái đất. Viễn thám sƣu tầm đa không gian, dữ liệu đa thời gian và đƣa chúng thành thông tin có giá trị cho quá trình tìm hiểu và quan trắc đất đô thị và cho việc thiết lập dữ liệu bề mặt bao phủ đất đô thị đang xây dựng. Việc sử dụng RS trong đề tài này để thực hiện các nội dung chính sau: - Phân loại thực phủ phục vụ tính chỉ số Curve Number. - Đánh giá biến động sử dụng đất Ứng dụng mô hình phần mềm, phƣơng trình toán học - Phƣơng pháp tính tần suất giá trị cực hạn 4 - Phƣơng pháp bình phƣơng tối thiểu: là một phƣơng pháp tối ƣu hóa để lựa chọn một đƣờng khớp nhất cho một dải dữ liệu ứng với cực trị của tổng các sai số thống kê (error) giữa đƣờng khớp và dữ liệu. - Phƣơng pháp xây dựng biểu đồ mƣa tức thời - Phƣơng pháp tính thấm SCS: của cục thổ nhƣỡng Hoa Kỳ dùng để tính thấm các mô Hình mƣa – dòng chảy để tính ra sự tổn thất dòng chảy từ mƣa. 5 Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1. Khái quát tình hình đô thị hóa 1.1.0. Khái niệm về đô thị và đô thị hóa Đô thị Đô thị là khu vực tập trung dân cƣ sinh sống có mật độ cao và chủ yếu hoạt động trong lĩnh vực kinh tế phi nông nghiệp, là trung tâm chính trị, hành chính, kinh tế, văn hoá hoặc chuyên ngành, có vai trò thúc đẩy sự phát triển kinh tế - xã hội của quốc gia hoặc một vùng lãnh thổ, một địa phƣơng, bao gồm nội thành, ngoại thành của thành phố; nội thị, ngoại thị của thị xã; thị trấn [7]. Các đô thị tại Việt Nam là những thành phố, thị xã, thị trấn; huyện; xã đƣợc cơ quan nhà nƣớc có thẩm quyền ra quyết định thành lập. Tại Việt Nam hiện có 6 loại hình đô thị: loại đặc biệt và loại I, loại II đến loại V. Các đô thị đặc biệt, loại I và loại II phải do Thủ tƣớng ra quyết định công nhận; các kiểu đô thị loại III và IV do Bộ Xây dựng ra quyết định công nhận; và loại V do Ủy ban Nhân dân cấp tỉnh công nhận. Hiện tại Việt Nam có hai đô thị đặc biệt là Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, 15 đô thị loại I, 19 đô thị loại II, 43 đô thị loại III, 67 đô thị loại IV. Khoảng 29,6% dân số Việt Nam sống ở đô thị. Theo Nghị định số 42/2009/NĐ-CP, một đơn vị hành chính để đƣợc phân loại là đô thị thì phải có các tiêu chuẩn cơ bản nhƣ sau: - Có chức năng đô thị; - Quy mô dân số toàn đô thị đạt 4 nghìn ngƣời trở lên; - Mật độ dân số phù hợp với quy mô, tính chất và đặc điểm của từng loại đô thị và đƣợc tính trong phạm vi nội thành, nội thị, riêng đối với thị trấn thì căn cứ theo các khu phố xây dựng tập trung; - Tỷ lệ lao động phi nông nghiệp (tính trong phạm vi ranh giới nội thành, nội thị, khu vực xây dựng tập trung) phải đạt tối thiểu 65% so với tổng số lao động; - Đạt đƣợc các yêu cầu về hệ thống công trình hạ tầng đô thị (gồm hạ tầng xã hội và hạ tầng kỹ thuật); - Đạt đƣợc các yêu cầu về kiến trúc, cảnh quan đô thị. Đối với các đô thị ở vùng cao, vùng sâu, vùng xa, biên giới, hải đảo thì các tiêu chí đánh giá đƣợc nới lỏng hơn: quy mô dân số và mật độ dân số tối thiểu phải đạt 50% tiêu chuẩn quy định, các tiêu chuẩn khác phải bảo đảm tối thiểu 70% mức tiêu chuẩn quy định so với các loại đô thị tƣơng đƣơng. Đối với một số đô thị có tính chất 6 đặc thù, tiêu chuẩn về quy mô dân số và mật độ dân số tối thiểu phải đạt 60% tiêu chuẩn quy định, các tiêu chuẩn khác phải đạt quy định so với các loại đô thị tƣơng đƣơng và bảo đảm phù hợp với tính chất đặc thù của mỗi đô thị [12]. Đô thị hóa Đô thị hóa là một hiện tƣợng dân số, kinh tế - xã hội, đƣợc coi là kết quả của sự phát triển nói chung, cũng nhƣ quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa nói riêng; là quá trình biến đổi từ xã hội nông nghiệp, nông thôn thành xã hội đô thị, công nghiệp. [23, tr. 59] Chỉ số đô thị hóa: Cho đến nay, có khá nhiều chỉ số đƣợc sử dụng để xác định và đánh giá tốc độ của quá trình đô thị hóa ở các nƣớc trên thế giới. Chỉ số thông dụng nhất và thƣờng đƣợc sử dụng trong các nghiên cứu là tỷ lệ gia tăng dân số đô thị so với tổng số dân của một khu vực hay một quốc gia. Chỉ số thứ hai thƣờng đƣợc sử dụng trong các nghiên cứu dự báo về động lực và xu hƣớng phát triển của đô thị hóa là chỉ số dân thành thị - nông thôn (Urban - RuralRatio). Chỉ số này đƣợc xác định bằng công thức sau: Trong đó: URRt: Chỉ số đô thị - nông thôn tại thời điểm t PUt: Dân số đô thị tại thời điểm t PRt: Dân số nông thôn tại thời điểm t. [3; tr.629] 1.1.1. Tình hình phát triển đô thị trên thế giới Đô thị hóa ở các nƣớc phát triển Mức độ đô thị hóa cao ở tất cả các nƣớc kinh tế phát triển. Các nƣớc: Ôxtrâylia, Niudilan, Tây Âu, Bắc Mỹ có mức độ đô thị hóa cao, tỉ lệ dân số đô thị đạt từ 80% trở lên. Còn khu vực Đông và Nam Âu mức độ đô thị hóa còn thấp, trong đó thấp nhất so với các nƣớc kinh tế phát triển là các nƣớc Đông Âu: 63% dân số sống ở khu vực đô thị. Cùng với sự khác biệt về trình độ phát triển về kinh tế là sự khác biệt về mức độ đô thị hóa giữa các nƣớc. Ở châu Âu có thể nhận ra sự khác biệt về mức độ đô thị hóa dễ dàng, sự thay đổi mức độ đô thị hóa trung bình đến mức độ đô thị hóa cao, ngay trong cùng quốc gia cũng có sự biến đổi theo từng vùng lãnh thổ. 7 Bảng 2: Dân số đô thị ở các nước kinh tế phát triển qua các năm Dân số đô thị (triệu ngƣời) Khu vực 1950 1970 2025 1950 1970 2025 Các nƣớc kinh tế phát triển 452 698 1.177 54,3 67 84  Úc- Niudilân 7,5 13 27 74,6 84 90  Châu Âu 223,9 311 458 56,2 67 85  Nhật Bản 42 74 109 50,3 71 86  Bắc Mỹ 106,1 167 307 63,9 74 85  Liên Xô 62,4 133 277 41,5 57 ---- Nguồn: Th. Brinkhoff: The Principal Agglomerations of the World, 2010-01-23 Trong số các nƣớc châu Âu có 12 nƣớc có tỉ lệ dân số đô thị hơn 75% là các nƣớc kinh tế phát triển. các nƣớc đô thị hóa cao trong số các nƣớc đang phát triển là bỉ 97%, Lucxambua 91%, Hà Lan 90%, Anh 89%, Đan Mạch 72% và CHLB Đức 88%. Nhƣ vây, các nƣớc đô thị hóa cao là các nƣớc ở ven vành đai biển Bắcgồm 4 nƣớc: Bỉ, Hà Lan, CHLB Đức và Đan Mạch, thêm vào đó là Anh- đất nƣớc trải dài trên Đại Tâu Dƣơng. Trong khi một số nƣớc nhỏ ở châu Âu nhƣ: Monaco 100% dân số sống ở đô thị, Malta 91% dân số đô thị, Lucxambua 91%, các nƣớc châu Âu khác: Aixolen 94% có mức độ đô thi hóa cao cũng nhƣ những đảo ở biển Bắc. 23 nƣớc có tỉ lệ dân số đô thị từ 50%- 75% ví dụ: Bộ Đầu Nha 54%. 3 nƣớc và quần đảo Chenen có tỉ lệ dân số đô thị dƣới 50% nhƣ: Anbani 42%, Bosnia Herzegovinia 43%, Mondova 45%, quần đảo Chenen là 31% là khu vực kinh tế kém phát triển hơn. Đông Âu là khu vực đô thị hóa kém hơn chỉ đạt gần 68%. CHLB Nga có tỉ lệ dân số đô thị khoảng 73%, những nƣớc này có trình độ đô thị hóa tƣơng tự nhau: CH Séc 77%, Belarut 72%, Bungari 70%, dân số đô thị thấp nhất là 4 nƣớc: Mondova 54%, Rumani 53%, Xlovakia 53%. Ở khu vực Nam Âu, có trình độ đô thị hóa khác nhau khá lớn. Một số nƣớc có mức độ đô thị cao nhƣ: Andora 92%, Man ta 91%, Italia 90%, Tây Ban Nha 76%. Nhƣng nhiều nƣớc mức độ đô thị hóa còn thấp: Anbani 42%, Bosnia Herzegovinia 43%, Xlovennia 525, Bồ Đầu Nha 53%. Ở các nƣớc kinh tế phát triển sự di dân nông thôn và đô thị làm tăng dân số ở khu vực đô thị đã trở thành nét chung nhất ở các nƣớc này trong những năm cuối thể kỉ 19 đầu thể kỉ 20. Nhƣng cuối thế kỉ 20 thì quá trình đô thị hóa đã mang đặc trƣng 8