Engish: Infrastructure Resilience to Disasters

Kiến trúc hệ thống cơ sở hạ tầng mang tính đàn hồi sẽ đòi hỏi những nỗ lực phối hợp của các kỹ sư và các nhà khoa học xã hội.

Xã hội đô thị phụ thuộc nặng nề vào hoạt động hợp lý của hệ thống cơ sở hạ tầng như là hệ thống cung cấp điện, nước sạch, và hệ thống giao thông. Thường thì không thể thấy được, nhưng sự phụ thuộc này trở nên hiển nhiên một cách đau lòng khi hệ thống cơ sở hạ tầng sụp đổ trong các thảm hoạ. Hơn nữa, do tính hệ thống của cơ sở hạ tầng, thiệt hại ở một vị trí có thể gây gián đoạn dịch vụ trong một hệ thống rộng hơn về địa lý. Sự gián đoạn về mặt xã hội gây ra bởi sự sụp đổ cơ sở hạ tầng vì vậy cao một cách không tương xứng so với thiệt hại vật chất thực tế.

Các kỹ sư từ lâu đã cố gắng kiến trúc cơ sở hạ tầng để chịu đựng các lực cực mạnh, nhưng mới đây họ đã bắt đầu đặt ra nhu cầu về hệ thống cơ sở hạ tầng đô thị có tính đàn hồi đối với thảm hoạ (ví dụ như NIST 2008). Về mặt khái niệm, tính đàn hồi liên quan đến ba khía cạnh có mối quan hệ mật thiết: xác suất sụp đổ thấp; hậu quả tiêu cực ít nghiêm trọng hơn khi xảy ra sụp đổ; và phục hồi nhanh hơn sau sụp đổ (Bruneau et al., 2003). Việc nhấn mạnh vào hậu quả và sự phục hồi gợi ý rằng cải thiện tính đàn hồi của hệ thống cơ sở hạ tầng không chỉ là vấn đề về kỹ thuật mà nó còn có khía cạnh xã hội.

Hậu quả của những thảm hoạ gần đây đã chứng minh rằng hệ thống hạ tầng đô thị ở Mỹ và các nước phát triển khác (chưa đề cập đến những khu vực đang phát triển trên thế giới) vẫn rất dễ đổ vỡ. Hơn thế nữa, sự sụp đổ cơ sở hạ tầng thường là nguyên nhân chính yếu  gây ra mất mát về con người và kinh tế trong thảm hoạ. Thử xem xét, ví dụ như, hậu quả của sự sụp đổ hạ tầng gây ra do gió, bão cấp, và vỡ đê ở New Orleans trong suốt cơn bão Katrina. Bảng số 1 cung cấp một vài ví dụ khác cho thấy độ thường xuyên và mức độ của sụp đổ hạ tầng trong thảm hoạ.

Bởi vì sụp đổ hạ tầng rõ ràng là nguyên nhân chính của việc gián đoạn trong thảm hoạ, các chiến lược nhằm cải thiện tính đàn hồi trong thảm hoạ của cộng đồng phải tập trung vào cải thiện tính đàn hồi của cơ sở hạ tầng. Nhưng rất ít tiêu chuẩn hay hướng dẫn được phát triển cho mục đích này, một phần là do sự phức tạp của vấn đề này (American Lifelines Alliance, 2006).

Nghiên cứu về cơ sở hạ tầng trong thảm hoạ

Phần nhiều các công trình nghiên cứu ban đầu về cơ sở hạ tầng trong thảm hoạ dựa trên sự hiểu biết về cơ chế làm thế nào các thành phần của cơ sở hạ tầng (ví dụ như mố cầu, đường ống ngầm, hệ thống chuyển năng lượng điện, và các trang thiết bị trạm biến áp khác) hoạt động khi bị phụ thuộc vào lực hay các điều kiện khắc nghiệt. Hiểu biết cơ bản này sau đó được mở rộng ra thành hoạt động của tập hợp các thành phần (như cầu, mạng lưới đường ống, trạm biến áp). Các nghiên cứu gồm nhiều các nghiên cứu thực tế cho tới mô phỏng trong phòng thí nghiệm với các mô hình thu nhỏ và phân tích dựa trên máy tính.

Kết quả của những nghiên cứu này là, những thiết kế kỹ thuật mới, vật liệu, và các chiến lược bổ sung được phát triển để cải thiện khả năng của các yếu tố hạ tầng để chống chọi với thiên tai. Công nghệ mới cũng được phát triển, như là bộ cảm ứng để theo dõi độ an toàn về cơ cấu và phát hiện hư hại và kiểm soát hệ thống thời gian thực.

Trong khi những đề tài này vẫn còn là lãnh vực linh hoạt đang cần nghiên cứu, nền tảng nghiên cứu mới đã nổi lên để giải quyết một số vấn đề phức tạp của cơ sở hạ tầng, bao gồm các vấn đề xã hội cũng như kỹ thuật. Ví dụ, làm thế nào mà sự sụp đổ của một cây cầu có thể gây ảnh hưởng lên các doanh nghiệp trong khu vực đô thị chịu phụ thuộc vào hệ thống giao thông đó? Sự thất bại của một hệ thống hạ tầng gián đoạn các hệ thống hạ tầng khác ra sao? Việc sửa chữa theo sau thảm hoạ được hoạch định như thế nào để tối thiểu hoá những thiệt hại về kinh tế và xã hội? Những câu hỏi này khuyến khích các nghiên cứu, rất cần thiết, đó là nghiên cứu liên ngành.

Thách thức của nghiên cứu liên ngành

Yêu cầu trong nghiên cứu liên ngành rõ ràng rất khó vì nhiều lý do, từ vấn đề trí tuệ như là khác biệt về giao tiếp và thái độ, tới vấn đề tổ chức như là cơ chế gây quỹ và cơ cấu về học thuật. Nghiên cứu liên ngành ở khu vực giao nhau của khoa học kỹ thuật và xã hội là đặc biệt rất khó (NRC, 2006).

Một rào cản cơ bản là khái niệm khác nhau của mỗi ngành về thuật ngữ “Cơ sở hạ tầng”. Đối với các kỹ sư kết cấu, ví dụ, cơ sở hạ tầng liên quan đến yếu tố cấu trúc, như là đường ống và cầu, được mô tả bằng ngôn từ về vật liệu và những đặc tính thiết kế tạo điều kiện tương tác với lực vật lý. Đối với nhà kinh tế, cơ sở hạ tầng – thường được tham khảo như là “vốn công”- liên quan đến đầu vào của sản xuất kinh tế đo bằng đơn vị đô la (ví dụ như trong Munnell, 1992) và thường được tính ở cấp độ tỉnh bang hay quốc gia. Những sự khác biệt cơ bản này phản ánh những cách khác nhau về khái niệm hoá và đo lường cơ sở hạ tầng.

Vượt qua những thách thức này đòi hỏi nhiều những nghiên cứu liên ngành và mang tính hợp tác hơn là những nghiên cứu về mặt kỹ thuật trong quá khứ. Nó cũng đòi hỏi các nhà nghiên cứu chú ý hơn đến những vấn đề về thời gian, không gian, và bối cảnh. Những xu hướng này được chứng minh dưới đây trong một ví dụ từ lĩnh vực về khoa học động đất.

Hệ thống nước trong động đất ở khu vực Los Angeles

Bộ phận Điện và Nước ở Los-Angeles  (LADWP), cơ quan tiện ích công cộng lớn nhất ở Mỹ, cung cấp nước uống cho 3.9 triệu người thông qua 11.700 cây số đường ống cơ sở hạ tầng trong một trong những khu vực nhạy cảm với địa chấn bậc nhất nước này. Trong những năm vừa qua, các nhà nghiên cứu hợp tác với trung tâm đa ngành về nghiên cứu kỹ thuật động đất (MCEER), một trung tâm nghiên cứu được tài trợ bởi Tổ chức Khoa học Quốc gia, đã nghiên cứu những hậu quả tiềm ẩn của các trận động đất lớn lên hệ thống nước của LADWP. Nổi bật là 3 công trình trong các nghiên cứu này chỉ ra một số thách thức và đột phá.

Mô phỏng Thiệt hại Vật chất Tiềm ẩn

Nghiên cứu đầu tiên, được thực hiện bởi các kỹ sư địa kỹ thuật, phát triển một mô hình về các thiệt hại vật chất tiềm ẩn đối với mạng lưới LADWP (Romero et al., 2009). Công nghệ hệ thống thông tin địa chất (Geographic information system – GIS) được sử dụng để hình ảnh hoá các chiều không gian của sóng địa chấn mặt đất, biến dạng mặt đất đỉnh điểm, đứt gãy, hoá lỏng đất, sụt lở đất cũng như chính mạng lưới đó. Mô hình này, được gọi là Phân tích phản ứng xoay vòng về địa chất dành cho Chuỗi sự việc xảy ra sau động đất (GIRAFFE), đánh giá thiệt hại đối với các thành phần trong mạng lưới (đường ống, bồn nước, đập nước, …) và thực hiện mô hình thủy lực của dòng nước thông qua mạng lưới bị hư hại. GIRAFFE cũng đánh giá khả năng phục vụ – được định nghĩa như là tỉ lệ giữa dòng nước sau động đất và dòng nước trước động đất – cho mỗi khu vực sử dụng dịch vụ.

Vào năm 2008, kết quả từ một sự kiện giả thuyết, một trận động đất 7.8 độ ở phía nam San Andreas Fault, đã được sử dụng như một phần của diễn tập chuẩn bị cho tình huống khẩn cấp lớn nhất trong lịch sử nước Mỹ. Trong tình huống đó, tổng khả năng phục vụ nước 24 giờ sau động đất được ước tính thấp xuống đến mức khoảng 34% (sau khi lượng nước dự trữ trong những bồn trữ nước được dùng hết). LADWP hiện tại đã áp dụng GIRAFFE, huấn luyện nhân viên sử dụng nó, và đang áp dụng kết quả của phân tích này trong hệ thống đưa ra quyết định.

Mô phỏng quá trình Thiệt hại – Khôi phục sau động đất

Trong một nghiên cứu có liên quan, các kỹ sư hệ thống đã xây dựng mô hình quá trình Thiệt hại – Khôi phục để ước tích thời gian cúp nước (Brink et al., 2009). Một mô hình mô phỏng những sự kiện gián đoạn được phát triển để bắt chước các quá trình hồi phục thật sau động đất, bao gồm những bước tiến của đội sửa chữa qua thời gian và hoạt động của họ, phụ thuộc vào nhân lực và hạn chế về vật chất. Dữ liệu được lấy từ việc tư vấn mở rộng với các nhân viên kỹ thuật của LADWP.

Mô hình phục hồi sau đó được chạy song song với mô hình dòng nước và thiệt hại GIRAFFE để mô phỏng khả năng cung cấp dịch vụ trong 12 giờ tiếp theo khi việc sửa chữa được tiến hành qua thời gian và không gian; tính không chắc chắn được tính toán thông qua nhiều giả lập gián đoạn. Kết quả cho thấy sự khác biệt quan trọng trong việc làm thế nào việc phục hồi có thể được thực hiện, và LADWP kết luận rằng mô hình phục hồi sẽ rất hữu ích trong hoạch định phân bổ nguồn lực sau thảm hoạ.

Mô phỏng ảnh hưởng của việc cúp nước lên doanh nghiệp

Các nhà hoạch định đô thị sử dụng mô hình mô tả trên đây vá các nghiên cứu kỹ thuật MCEER khác để điều tra hậu quả của việc cúp nước, bao gồm ảnh hưởng lên nền kinh tế (Chang et al., 2008). Lấy ví dụ, một mô hình giả lập dựa trên các đơn vị nhằm mục đích trả lời các loại hình doanh nghiệp khác nhau bị ảnh hưởng như thế nào bởi chuyện cúp nước. Đầu vào thông tin bao gồm tỷ lệ khả năng dịch vụ cấp nước và thời gian khôi phục dựa trên những nghiên cứu mô tả trên đây, cũng như tính chất riêng của chính doanh nghiệp. Dữ liệu được rút ra từ các cuộc thăm dò về ảnh hưởng lên doanh nghiệp trong các thảm hoạ trước đó. Tác động của việc cúp nước được ước tính trong bối cảnh khi các loại hình gián đoạn xảy ra do động đất, cụ thể là thiệt hại đến các toà nhà và việc cúp điện. Hậu quả của viễn cảnh trận động đất Verdugo Fault 6.9 M_w chỉ ra rằng việc cúp nước có thể gây ra thiệt hại trực tiếp của doanh nghiệp đến con số ước tính là 467 triệu đô la Mỹ về, hay là khoảng 1.5 % tổng thiệt hại kinh tế ước tính.

Các yếu tố quan trọng trong nghiên cứu liên ngành

Các nghiên cứu được mô tả trên đây đã chứng minh tính khả thi và hứa hẹn của việc nghiên cứu liên ngành lên tính đàn hồi của cơ sở hạ tầng nhằm phát triển khả năng xây dựng mô hình thiệt hại và khôi phục sau thảm hoạ qua thời gian. Dựa trên kinh nghiệm phát triển GERAFFE, mô hình phục hồi, và những mô hình khác, chúng ta đã chỉ ra các yếu tố phát triển nghiên cứu liên ngành trong lĩnh vực này:

• Công nghệ GIS giúp làm cầu nối giữa các kho dữ liệu và các mô hình khác nhau bằng cách cung cấp nền tảng chung để chia sẻ thông tin và dùng chung dữ liệu.
• Khái niệm về “khả năng phục vụ” của cơ sở hạ tầng rất quan trọng trong việc kết nối thiệt hại vật chất và tác động xã hội. Khái niệm này, khác với cả khái niệm kỹ thuật truyền thống và khái niệm kinh tế truyền thống về cơ sở hạ tầng, phản ánh một sự diễn đạt trung gian nối kết 2 khái niệm này.
• Hướng tiếp cận lấy nghiên cứu làm trung tâm để có thể giải quyết toàn bộ của vấn đề phức tạp thông qua nỗ lực kết nối của những nhóm liên ngành, được triệu tập và duy trì trong nhiều năm. Sự nối kết này là cần thiết để chỉ ra những khoảng cách đáng kể về kiến thức, bao gồm sự tham gia của các nhà nghiên cứuthích hợp, và vượt qua những rào cản liên ngành.
• Phối hợp với người dùng cuối cùng, đó là điều tất yếu đối với LADWP, như một tổ chức cơ sở hạ tầng. Các kỹ sư LADWP đóng góp theo cách quan trọng để định khung các câu hỏi, phát triển dữ liệu, và cuối cùng, áp dụng kết quả lên việc đưa ra quyết định.

Nếu không có tất cả những yếu tố này ở đúng chỗ, việc nghiên cứu liên ngành không thể được nhận thức hay thực hiện.

Thách thức về biên giới

Đâu là biên giới hiện tại trong nghiên cứu về tính đàn hồi trong cơ sở hạ tầng đối với thảm hoạ? Trong quan điểm của tác giả, nhiều vấn đề tồn tại cần được hiểu và giải quyết về thành quả thực hiện của các yếu tố và hệ thống kỹ thuật. Thêm vào đó, mối quan hệ giữa khoa học kỹ thuật và khoa học xã hội mới chỉ bắt đầu được khai thác thông qua nghiên cứu liên ngành, và nhiều câu hỏi quan trọng vẫn chưa được giải đáp. Trong bối cảnh này, ba thách thức mới đã lôi kéo được sự chú ý.

Sự phụ thuộc lẫn nhau

Thách thức đầu tiên của vấn đề phụ thuộc- hiểu và giải quyết làm thế nào sự sụp đổ trong một hệ thống hạ tầng dẫn tới sự sụp đổ trong 1 hệ thống khác. Việc mất điện, ví dụ, thường dẫn tới sự gián đoạn trong hệ thống cấp nước, hệ thống giao thông và y tế, và các hệ thống khác. Có vài kiểu phụ thuộc: phụ thuộc về vật chất (ví dụ như trạm bơm trong hệ thống cung cấp nước đòi hỏi hệ thống điện); phụ thuộc về máy tính (ví dụ, kiểm soát hệ thống máy tính phụ thuộc vào viễn thông); phụ thuộc về địa lý (ví dụ, đường ống toạ lạc trên cây cầu giao thông); và phụ thuộc về lô-gic (ví dụ, các yếu tố hạ tầng liên quan đến thị trường kinh tế điều khiển bởi việc ra quyết định của con người) (Rinaldi et al., 2001).

Sự hiểu biết kỹ thuật về sự phụ thuộc liên ngành vẫn còn ở giai đoạn bắt đầu, và nhiều tổ chức cơ sở hạ tầng đã lưỡng lự để chia sẻ thông tin về điểm yếu của mình vì lý do an ninh. Tuy nhiên, sự hiểu biết về phụ thuộc liên ngành cơ sở hạ tầng rất quan trọng cho các thành phố quyết định về đầu tư chiến lược vào cải thiện cơ sở hạ tầng sẽ có bồi hoàn lớn nhất theo nghĩa  về tính đàn hồi.

Nhiều mối nguy hiểm đồng thời

Thách thức mới thứ hai là nhiều mối nguy hiểm đồng thời. Bởi vì hệ thống hạ tầng là dễ đổ vỡ do nhiều điều kiện khắc nghiệt xung quanh (ví dụ, gió, băng, bão, động đất, khủng bố, hư hỏng), do đó điều quan trọng là phải tìm giải pháp và các quyết định hỗ trợ xem xét nhiều điều kiện này trong bối cảnh. Hiệp lực trong việc công nghệ giảm rủi ro có thể giảm chi phí của việc sửa chữa thêm vào trước thảm hoạ và sửa chữa sau thảm hoạ. Các phương pháp cũng cần thiết để đánh giá làm thế nào việc hư hỏng cơ sở hạ tầng qua thời gian ảnh hưởng đến rủi ro trong thảm hoạ.

Sự bền vững

Thách thức thứ 3, sự bền vững, là sự xem xét tính đàn hồi của cơ sở hạ tầng trong bối cảnh môi trường trong thời gian dài. Có thể tranh luận rằng tính đàn hồi đối với thảm hoạ là một đặc tính cố hữu về sự vững bền. Ở một mức độ nào đó, thiết kế và xây dựng cơ sở hạ tầng có khả năng chịu đựng thảm hoạ sẽ giảm ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường, ví dụ như bụi đất từ các công trình bị đổ, các chất gây nguy hiểm và các chất ô nhiễm khác rò rỉ ra, và các-bon để lại từ các hoạt động tái cơ cấu. Vì vậy, các nhà thiết kế nên bao gồm những ảnh hưởng môi trường  đến vòng đời trong việc đưa ra quyết định (Guikema, 2009).

Ở một mức độ khác, vì cơ sở hạ tầng tồn tại lâu dài, tính của đàn hồi cơ sở hạ tầng sẽ đòi hỏi khả năng đáp ứng nhu cầu thay đổi mạnh mẽ qua suốt vòng đời của nó. Những thay đổi như vậy có thể bao gồm sự phát triển đô thị và tăng dân số. Biến đổi khí hậu cũng rất quan trọng, ví dụ như, qua việc tăng mực nước biển gây ra việc định nghĩa lại các đường bờ biển và qua việc thay đổi xác suất xảy ra các sự kiện thảm hoạ bao gồm bão lớn, mưa lớn, khô hạn, nhiệt độ cao thấp, đứt gãy, lũ lụt. Biến đổi khí hậu không chỉ đặt cơ sở hạ tầng về bờ biển, như là cảng biển và các cơ sở liên quan đến cảng, vào tình thế rủi ro. Ở nhiều thành phố, biến đổi khí hậu còn gây căng thẳng cho việc cấp nước, điều kiện xử lý nước thải, và hệ thống giao thông (Infrastructure Canada, 2006).

Thêm vào đó, hệ thống cơ sở hạ tầng bản thân nó có những tác động quan trọng lên môi trường. Ví dụ, việc xây đê ngăn lũ, một cách chính thống, khuyến khích việc phát triển những cơn lũ ở đồng bằng rất nguy hiểm. Vì vậy tính dễ đổ vỡ của New Orleans trước cơn bão Katrina là một phần nguyên nhân, như là việc xây đê, đã được làm trong nhiều thập kỷ để bảo vệ chống lại những cơn bão thường xuyên, nhưng điều đó làm tăng sự mong manh của thành phố lên rất lớn, dù là hiếm, những cơn bão thảm hoạ (Kates et al., 2006).

Hơn nữa, khả năng của vùng đất ướt gần bờ biển của vùng Louisiana giúp chống lại gió và bão cấp đã giảm đáng kể qua nhiều thập kỷ do việc xây đê, kênh tải hàng, cơ sở công nghiệp khí đốt và dầu, và những cơ sở hạ tầng khác (ví dụ, Kousky và Zeckhauser, 2006). Một số người cho rằng việc phòng lũ không chỉ bao gồm xây đê, nhưng cũng nên được thiết kế để khuyến khích việc phục hồi nhanh chóng (Guikema, 2009). Một số khác lại cho rằng việc ngưng hoạt động của hệ thống hạ tầng hiện tại- như là việc tháo dỡ một số đập nước và đê – cùng với việc phục hồi hệ sinh thái như một cách tiếp cận để giải quyết vấn đề của hệ thống cơ sở hạ tầng cũ và sự suy thoái sinh thái donó gây ra. (Doyle et al., 2008)

Cũng có những ý kiến khác chỉ ra rằng những thiết kế thành phố “nén” (compact city) nhằm mục đích thúc đẩy sự bền vững (ví dụ, phát triển hiệu năng điện và giảm thải khí nhà kính) có thể thực ra lại làm suy yếu tính đàn hồi trong thảm hoạ bằng cách sắp đặt nhiều người hơn trong sự phát triển mật độ cao toạ lạc ở vùng đồng bằng ngập lũ và những vùng nguy hiểm khác (Berke et al., 2009)

Những câu hỏi chưa được trả lời

Làm thế nào hệ thống cơ sở hạ tầng có thể được thiết kế để vừa giảm rủi ro và vừa hỗ trợ cho các thành phố bền vững hơn? Làm thế nào hệ thống cơ sở hạ tầng có thể được thiết kế nhằm vào tính đàn hồi trong thảm hoạ- cho hiện tại cũng như cho tương lai? Những câu hỏi này có lẽ là câu khó nhất và quan trọng nhất, để trả lời. Giải quyết những câu hỏi này đòi hỏi nghiên cứu liên ngành trải rộng các khoảng cách giữa các lãnh vực kỹ thuật đồng thời giữa kỹ thuật và khoa học xã hội.

Dịch từ bản tiếng Anh tại NAE bởi Ngọc Hợp, Thạc sĩ ngành Kinh tế Môi trường, Canada.