NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THAM SỐ VỀ MƯA GÓP PHẦN HOÀN THIỆN CÔNG THỨC TÍNH LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THAM SỐ VỀ MƯA GÓP PHẦN HOÀN THIỆN CÔNG THỨC TÍNH LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAMCÔNG THỨC TÍNH LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THAM SỐ VỀ MƯA GÓP PHẦN HOÀN THIỆN CÔNG THỨC TÍNH LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG TRONG

ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM Chuyên ngành: Xây dựng đường ôtô và đường thành phố

Mã số: 62.58.30.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS BÙI XUÂN CẬY

2 GS.NGND.TSKH NGUYỄN XUÂN TRỤC

HÀ NỘI - 2014

Lời cảm ơn

Luận án được hoàn thành tại Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Trường Đại học GTVT, Bộ môn Đường bộ, tới các Thầy cô giáo, các Nhà khoa học, các bạn bè, đồng nghiệp và người thân đã giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án

Đặc biệt, tác giả xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới GS.NGND.TSKH Nguyễn Xuân Trục và PGS.TS Bùi Xuân Cậy là hai thầy giáo hướng dẫn đã

có những chỉ dẫn tận tình và quý báu giúp tác giả hoàn thành luận án

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Nguyễn Anh Tuấn

MỤC LỤC

Trang

1.1 Các nghiên cứu liên quan ở trong và ngoài nước 6

1.1.2 Các công thức tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước

1.1.2.3 Các công thức xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát

nước nhỏ trên đường ở Việt Nam

12

+ Công thức theo TCVN9845:2013 Tính toán các đặc trưng dòng

chảy lũ

12

+ Công thức cường độ giới hạn của Đại học Xây Dựng Hà Nội 13

+ Công thức cường độ giới hạn sử dùng trong tính toán thoát

nước đô thị theo tiêu chuẩn TCVN 7957:2008

14

1.1.2.5 Xác định lưu lượng theo phương trình cân bằng lượng nước 15 1.1.2.6 Nhận xét về các công thức tính lưu lượng thiết kế 17

1.1.3 Vấn đề xác định các tham số về mưa trong các công thức tính lưu

lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường

17

1.1.3.2 Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T và phân vùng mưa 18

1.1.4 Nghiên cứu, phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến tính toán lưu

lượng lũ thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường

24

1.1.4.1 Khái quát chung về các nhân tố ảnh hưởng 24

1.1.4.4 Ảnh hưởng của giá trị tần suất thiết kế tới trị số lưu lượng lũ tính

toán

27

1.1.4.5 Tính chất ảnh hưởng tổng hợp của thông số cường độ mưa tính

toán trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường

27

1.2 Những vấn đề còn tồn tại luận án tập trung giải quyết 28

1.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài 29

Chương 2: NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM MƯA CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA

HIỆN TƯỢNG BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TRONG TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG

32

2.2 Giới thiệu về mạng lưới các trạm khí tượng và nguồn số liệu đo

mưa ở nước ta

36

2.3 Nghiên cứu đặc điểm biến đổi của mưa chịu tác động của hiện

tượng biến đổi khí hậu và ảnh hưởng của nó đến tính toán lưu lượng đỉnh lũ thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường

38

2.3.2.3 Xu hướng và mức độ biến thiên lượng mưa năm và số ngày mưa

trong năm

41

2.3.2.4 Xu hướng và mức độ biến thiên của lượng mưa ngày lớn nhất

năm Hngàymax và cường độ mưa thời đoạn tính toán lớn nhất năm

44

aTmax Tính đột biến cực đoan do ảnh hưởng của hiện tượng biến đổi khí hậu

2.3.2.5 Giá trị trung bình trong nhiều nămX và hệ số Cv, Cs của lượng

mưa ngày lớn nhất năm Hngàymax và cường độ mưa thời đoạn tính toán lớn nhất năm aTmax

54

2.3.2.6 Chu kỳ biến đổi lớn - nhỏ - trung bình của lượng mưa ngày lớn

nhất năm Hngàymax và cường độ mưa thời đoạn tính toán lớn nhất năm aTmax

58

2.3.2.7 Tương quan biến đổi về giá trị và thời điểm xuất hiện cùng nhau

của lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngàymax và cường độ mưa thời đoạn tính toán lớn nhất năm aTmax

62

Chương 3: XÁC ĐỊNH LƯỢNG MƯA NGÀY TÍNH TOÁN VÀ

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ ĐẶC TRƯNG HÌNH DẠNG CƠN MƯA

70

3.1 Xác định lượng mưa ngày tính toán theo tần suất thiết kế 70

3.1.2 Xác định lượng mưa ngày tính toán H n,p theo tần suất thiết kế p 70

3.1.2.2 Kiểm định mẫu thống kê lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngàymax 71 3.1.2.3 Tìm giá trị lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết kế p 74 3.1.2.4 Xử lý khi gặp những trận mưa đặc biệt lớn 75 3.1.2.5 Kiểm định sự phù hợp của đường tần suất lý luận Hn,p với tài liệu

thực đo

78

3.1.3 Kết quả xác định lượng mưa ngày tính toán H n,p theo tần suất thiết kế

p ở 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu lập với chuỗi số liệu đo mưa thực tế từ năm 1960 - 2010

79

3.1.4 So sánh lượng mưa ngày tính toán H n,p theo tần suất thiết kế p tính từ

năm 1960 tới năm 2010 so với H n,p tính tới năm 1987 Nhận xét và kiến nghị

79

3.2 Nghiên cứu xác định hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa  T và đề

xuất tiêu chí phân vùng mưa phù hợp đối với yêu cầu tính toán lưu lượng lũ lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường

80

3.2.1 Khái niệm và đặc tính của hàm hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa



80

3.2.2 Mục đích, ý nghĩa của việc nghiên cứu xác định hệ số đặc trưng hình

dạng cơn mưa  T

82

3.2.3 Phương pháp xây dựng hàm hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa  T

theo T trong một vùng mưa

83

3.2.3.2 Kết quả xây dựng hàm hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T 

T cho 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu với chuỗi số liệu đo mưa thực tế từ năm 1960 - 2010

84

3.2.3.3 Đánh giá sai số của hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T trong

một vùng mưa với các giá trị hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa

T,pi ở các tần suất pi khác nhau Nhận xét và kiến nghị

85

3.2.4 Đề xuất tiêu chí, phương pháp phân vùng mưa phù hợp đối với yêu

cầu tính toán lưu lượng lũ lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường

86

Chương 4: NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH THAM SỐ CƯỜNG ĐỘ MƯA

TRONG TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG Ở VIỆT NAM

93

4.1.3 Cường độ mưa trung bình lớn nhất trong thời khoảng tính toán, aT 93

4.2 Các giả thiết khi xác định cường độ mưa tính toán a T của thời

đoạn T

95

4.3 Các phương pháp xác định cường độ mưa tính toán a T,p ở thời

đoạn T và tần suất thiết kế p

4.4.2 Trường hợp chuỗi số liệu đo mưa tự ghi thực tế ở các trạm khí tượng

bị gián đoạn một hoặc một vài năm quan trắc

98

4.4.3 Kết quả xây dựng đường cong a-T-p (cường độ mưa - thời gian -

tần suất) bằng phương pháp trực tiếp ở 12 trạm khí tượng nghiên cứu

98

với chuỗi số liệu đo mưa thực tế thu thập từ năm 1960-2010 Nhận

xét và kiến nghị

4.5 Nghiên cứu xác định cường độ mưa tính toán a T,p dựa vào lượng

mưa ngày tính toán H n,p và hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa  T

100

4.5.2 Công thức tính cường độ mưa tính toán aT,p theo lượng mưa ngày

tính toán và hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa

100

4.5.3 Đánh giá mức độ sai số, nhận xét và kiến nghị 100

4.6 Nghiên cứu xây dựng công thức xác định cường độ mưa tính toán

a T,p theo đặc trưng sức mưa và hệ số hình dạng cơn mưa

101

4.6.2 Phân tích chọn dạng công thức thực nghiệm và phương pháp hồi quy

xác định giá trị các hệ số trong công thức tính cường độ mưa tính

4.6.7 Công thức tính cường độ mưa tính toán aT,p theo hệ số vùng khí hậu

A, B và hệ số hình dạng cơn mưa m Đánh giá sai số, nhận xét và

kiến nghị

111

4.7 Khảo sát quan hệ giữa sức mưa S p theo tần suất và lượng mưa

ngày tính toán H n,p theo tần suất trong cùng vùng mưa

112

4.7.3 Công thức tính cường độ mưa tính toán aT,p theo hệ số hồi quy của

vùng khí hậu , hệ số hình dạng cơn mưa m và lượng mưa ngày tính

toán Hn,p Đánh giá mức độ sai số, nhận xét và kiến nghị

115

4.8 Nghiên cứu xác định cường độ mưa tính toán a T,p theo cường độ

mưa chuẩn a To,p

4.8.3 Đánh giá sai số, nhận xét và kiến nghị 117

4.9 Nghiên cứu xác định cường độ mưa tính toán a T,p bằng phương

pháp sử dụng trạm tựa

117

4.9.2 Công thức xác định cường độ mưa tính toán aT,p bằng trạm tựa nội

suy theo lượng mưa ngày tính toán Hn,p

118

4.9.3 Công thức xác định cường độ mưa tính toán aT,p bằng trạm tựa nội

suy theo đặc trưng sức mưa Sp

119

4.10 Phương pháp, nội dung và kết quả đánh giá sai số của các công

thức tính cường độ mưa tính toán a T,p

121

4.10.1 Phương pháp, nội dung đánh giá sai số của các công thức tính cường

độ mưa tính toán aT,p

121

4.10.2 Kết quả đánh giá và so sánh mức độ sai số của các công thức tính

cường độ mưa tính toán aT,p trong cùng một vùng mưa và giữa các

vùng mưa khác nhau

122

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU VÀ TỪ VIẾT TẮT

TT Ký hiệu Ý nghĩa

1 A Hệ số vùng khí hậu

3 aT,p Cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p: là cường

độ mưa trung bình lớn nhất trong thời đoạn tính toán T ở tần suất p; hay còn gọi là cường độ mưa giới hạn lớn nhất trong thời đoạn tính toán T ở tần suất p

4 a,p Cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu

vực và tần suất p (chính là cường độ mưa tính toán aT,p khi tính

ở thời đoạn T = )

5 aTmax Cường độ mưa lớn nhất năm ở thời đoạn tính toán T: được xác

định từ số liệu đo mưa tự ghi thực tế tại các trạm khí tượng

6 B Hệ số vùng khí hậu

7 Blv Chiều rộng bình quân của lưu vực

8 bsd Chiều dài bình quân của sườn dốc lưu vực

9 F Diện tích lưu vực

10 g Cường độ tổn thất

12 Hn,p Lượng mưa ngày tính toán ở tần suất p

13 HT,p Lượng mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p: là lượng mưa

lớn nhất trong thời đoạn tính toán T ở tần suất p

14 H,p Lượng mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực

và tần suất p (chính là lượng mưa tính toán HT,p khi tính ở thời đoạn T = )

15 Hngày

max

Lượng mưa ngày lớn nhất năm: được xác định từ số liệu đo lượng mưa ngày thực tế tại các điểm đo mưa

16 HTmax Lượng mưa lớn nhất năm ở thời đoạn tính toán T: được xác

định từ số liệu đo mưa tự ghi thực tế tại các trạm khí tượng

18 Jls Độ dốc dọc trung bình lòng sông suối chính

19 Jsd Độ dốc trung bình sườn dốc lưu vực

20 Lls Chiều dài sông suối chính

21 li Tổng chiều dài các suối nhánh

22 m Hệ số hình dạng cơn mưa

23 mls =1/nls Thông số đặc trưng cho nhám lòng sông suối chính

24 msd =1/nsd Thông số đặc trưng cho nhám sườn dốc lưu vực

25 nls Hệ số nhám trung bình lòng sông suối chính

26 nsd Hệ số nhám trung bình sườn dốc lưu vực

27 N = 100/p Chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán (năm)

28 p Tần suất thiết kế (%)

30 Qp Lưu lượng thiết kế ở tần suất p: là lưu lượng lớn nhất qua mặt

cắt công trình ứng với tần suất thiết kế p

31 q Mô đuyn dòng chảy mưa, hay lưu lượng dòng chảy mưa (chưa

xét đến tổn thất) từ 1 đơn vị diện tích lưu vực, hay cường độ mưa theo thể tích

33 Sp Sức mưa ở tần suất p

34 T Thời đoạn mưa tính toán

35 Tcn Thời gian mưa hiệu quả, hay thời gian cung cấp nước, hay thời

gian mưa sinh dòng chảy

39  Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa

40 T Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa ở thời đoạn tính toán T

41  Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa ở thời gian trung nước 

của lưu vực (chính là hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T khi tính ở thời đoạn T = )

42  Hệ số hồi quy của vùng khí hậu

47  Thời gian tập trung nước của lưu vực, hay thời gian tập trung

dòng chảy của lưu vực

DANH MỤC CÁC BẢNG

1 Bảng 2.1 Thông tin về số liệu đo mưa ở 12 trạm khí tượng chọn

nghiên cứu

37

2 Bảng 2.2 Tổng hợp kết quả nghiên cứu tháng mưa nhiều ngày trong

năm, so sánh với kết quả nghiên cứu tháng mùa mưa trong năm tại 12 trạm khí tượng nghiên cứu từ năm 1960 - 2010

40

3 Bảng 2.3 Tổng hợp kết quả nghiên cứu xu hướng biến thiên của

lượng mưa năm và số ngày mưa trong năm tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu từ năm 1960 - 2010

43

4 Bảng 2.4 Tổng hợp kết quả nghiên cứu xu hướng biến thiên của

lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngàymax và cường độ mưa lớn nhất năm aTmax ở các thời đoạn từ T = 5ph  1440ph tại 12 trạm khí tượng nghiên cứu từ năm 1960 - 2010

6 Bảng 2.6 Giá trị Cv và Cs của lượng mưa ngày lớn nhất năm

Hngàymax tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu từ năm

1960 - 2010

56

7 Bảng 2.7 Giá trị Cv và Cs của cường độ mưa lớn nhất năm aTmax ở

các thời đoạn tính toán T =5ph  1440ph tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu từ năm 1960 - 2010

57

8 Bảng 2.8 Tổng hợp kết quả nghiên cứu chu kỳ biến đổi của lượng

mưa ngày lớn nhất năm Hngàymax và cường độ mưa lớn nhất năm aTmax ở các thời đoạn T =5ph  1440ph tại 12 trạm khí tượng nghiên trong thời gian khảo sát đến năm 2010

61

9 Bảng 2.9 Bảng mầu đánh giá sự trùng lặp về thời điểm xuất hiện

cùng ngày tháng năm của Hngàymax và aTmax từ 5ph  1440ph tại trạm Láng - Hà Nội từ năm 1960 - 2010

65

10 Bảng 2.10 Tổng hợp kết quả nghiên cứu mức độ trùng lặp về ngày

tháng xuất hiện trong năm của cường độ mưa lớn nhất năm

aTmax ở các thời đoạn tính toán T = 5ph  1440ph so với ngày tháng xuất hiện trong năm của lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngàymax tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu từ năm 1960 - 2010

66

11 Bảng 3.1 Số năm quan trắc cần thiết để đảm bảo sai số lấy mẫu của

chuỗi số liệu thống kê lượng mưa ngày lớn nhất năm tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu

73

12 Bảng 3.2 Giá trị và thời điểm xuất hiện lượng mưa ngày lớn đột biến

(Hngàymax)* trong chuỗi số liệu từ năm 1960 - 2010 tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu

76

13 Bảng 3.3 Kết quả kiểm định theo tiêu chuẩn Smirnov - Kolmogorov

về sự phù hợp với số liệu thực đo của đường tần suất lý luận lượng mưa ngày tính toán Hn,p tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu với mức ý nghĩa cho phép  = 5%

79

14 Bảng 3.4 Tóm tắt quá trình xác định hệ số đặc trưng hình dạng cơn

mưa T

84

15 Bảng 3.5 Kết quả đánh giá sai số của hệ số đặc trưng hình dạng cơn

mưa T thiết lập cho 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu với số liệu đo mưa từ năm 1960 - 2010

86

16 Bảng 3.6 Sai số của hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa ở các trạm

Láng, trạm Hà Đông, trạm Sơn Tây tính so với đường Ttrung bình 3 trạm

90

17 Bảng 4.1 Xác định các điểm trọng tâm phục vụ hồi quy tìm hệ số m 104

18 Bảng 4.2 Hồi quy với các điểm trọng tâm để tìm hệ số m 104

19 Bảng 4.3 Hệ số tương quan hồi quy R2 trong phép hồi quy xác định

giá trị hệ số hình dạng cơn mưa m ở 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu từ năm 1960 - 2010

106

20 Bảng 4.4 Trình tự thực hiện hồi quy để tìm sức mưa Sp ở tần suất p 107

21 Bảng 4.5 Tổng hợp hệ số tương quan hồi quy R2 trong phép hồi quy

xác định sức mưa Sp ứng với các tần suất p = 1%  99.99% ở 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu với số liệu

đo mưa thu thập từ năm 1960 - 2010

108

22 Bảng 4.6 Trình tự thực hiện hồi quy để tìm hệ số vùng khí hậu A, B 110

23 Bảng 4.7 Trình tự thực hiện hồi quy để tìm hệ số hồi quy của vùng

khí hậu 

113

24 Bảng 4.8 Tổng hợp hệ số tương quan hồi quy R2 trong phép hồi quy

xác định hệ số  ở 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu với

số liệu đo mưa từ năm 1960 - 2010

114

25 Bảng 4.9 Tổng hợp kết quả đánh giá mức độ sai số của các công

thức thực nghiệm tính cường độ mưa tính toán aT,p với số liệu đo mưa từ năm 1960 - 2010 tại 12 trạm nghiên cứu

123

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

1 Hình 1.1 Mô tả khái quát sự hình thành dòng chảy lũ do mưa

trên lưu vực

6

2 Hình 1.2 Sơ đồ hình thành dòng chảy: Bình đồ lưu vực 8

3 Hình 1.3 Sơ đồ hình thành dòng chảy: Giá trị lưu lượng chảy qua

công trình sau từng đơn vị thời gian

8

4 Hình 1.4 Ảnh hưởng của hình dạng cơn mưa tới cường độ mưa

tính toán a,p

28

5 Hình 2.1 Xu hướng biến thiên lượng mưa năm tại trạm Láng,

trạm Hà Đông, trạm TX.Sơn Tây của TP.Hà Nội từ năm 1960 - 2010

42

6 Hình 2.2 Xu hướng biến thiên số ngày mưa trong năm tại trạm

Láng, trạm Hà Đông, trạm TX.Sơn Tây của TP.Hà Nội

từ năm 1960 - 2010

42

7 Hình 2.3 Xu hướng biến thiên của Hngàymax tại 12 trạm khí tượng

chọn nghiên cứu từ năm 1960 - 2010

45

8 Hình 2.4 Xu hướng biến thiên của aTmax ở các thời đoạn T = 5ph

 1440ph tại trạm Láng - TP.Hà Nội từ 1960 - 2010

46

9 Hình 2.5 Lượng mưa ngày lớn nhất năm bình quân nhiều

nămHngàymax tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu từ năm 1960 - 2010

55

10 Hình 2.6 Cường độ mưa lớn nhất năm bình quân nhiều

nămaTmax ở các thời đoạn từ T =5ph  1440ph tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu từ 1960 - 2010

56

11 Hình 2.7 Chu kỳ biến đổi của lượng mưa ngày lớn nhất năm

Hngàymax tại trạm Láng - Hà Nội từ năm 1960 - 2010

60

12 Hình 2.8 Chu kỳ biến đổi của cường độ mưa lớn nhất năm aTmax

ở các thời đoạn tính toán T = 30ph, 180ph, 1440ph tại trạm Láng – TP.Hà Nội từ năm 1960 - 2010

60

13 Hình 2.9 Đồ thị so sánh biến đổi về giá trị giữa Hngàymax và aTmax

ở các thời đoạn tính toán T = 5ph  1440ph tại trạm Láng - TP.Hà Nội từ năm 1960 - 2010

64

14 Hình 3.1 Sơ đồ xác định lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần

suất bằng thống kê xác suất với chuỗi số liệu đo lượng mưa ngày ở các trạm đo mưa ở nước ta là liên tục

71

15 Hình 3.2 Xử lý trường hợp có 1 cơn mưa đặc biệt lớn nằm trong

chuỗi số liệu thống kê

77

16 Hình 3.3 Xử lý trường hợp có nhiều cơn mưa đặc biệt lớn nằm

trong chuỗi số liệu thống kê

77

17 Hình 3.4 Họ đường cong T,p ~ T ít thay đổi theo tần suất trong

một vùng mưa nhưng khác nhau giữa các vùng mưa

81

18 Hình 3.5 Phân vùng mưa bằng đường cong hệ số đặc trưng hình

dạng cơn mưa T  T

81

19 Hình 3.6 Sự khác nhau về chế độ mưa ở các trạm khí tượng gây

chênh lệch lưu lượng thiết kế của lưu vực nhỏ ở các vùng khi cùng điều kiện mặt đệm và tần suất, khảo sát với số liệu đo mưa từ năm 1960 - 2010

88

20 Hình 3.7 Các đường cong hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa

T  T tại 3 trạm Láng, trạm Hà Đông, trạm Sơn Tây của TP Hà Nội từ năm 1960 - 2010

90

21 Hình 4.1 Diễn biến lượng mưa tích lũy Ht và cường độ mưa tức

thời at trong một trận mưa thực tế

93

22 Hình 4.2 Phương pháp xác định cường độ mưa trung bình lớn

nhất trong khoảng thời gian tính toán T trên giấy đo mưa tự ghi

94

23 Hình 4.3 Quan hệ cường độ mưa tính toán aT , lượng mưa lớn

nhất trong khoảng thời gian tính toán HT và thời đoạn mưa tính toán T

94

24 Hình 4.4 Sơ đồ xác đinh cường độ mưa tính toán aT,p ở thời đoạn

T và tần suất p bằng thống kê xác suất trong trường hợp chuỗi số liệu đo mưa tự ghi ở các trạm khí tượng của nước ta đủ dài, không liên tục, bị gián đoạn một số năm quan trắc

99

25 Hình 4.5 Kết quả hồi quy tìm hệ số hình dạng cơn mưa m cho

trạm Láng - TP.Hà Nội với số liệu đo mưa thu thập từ năm 1960 - 2010

105

26 Hình 4.6 Kết quả hồi quy tìm hệ số hồi quy của vùng khí hậu 

cho trạm TP.Lạng Sơn với số liệu đo mưa thu thập từ năm 1960 - 2010

114

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu tóm tắt luận án

- Mạng lưới giao thông ngày càng mở rộng, đặc biệt là vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa; khu dân cư, khu đô thị phát triển với tốc độ nhanh; khu công nghiệp ngày một gia tăng Chúng đòi hỏi có công thức tính toán lưu lượng lũ thiết kế cho lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ đơn giản, dễ tính toán và có độ chính xác chấp nhận được Cùng với nhiều công trình nghiên cứu khác, công trình nghiên cứu trong luận án góp phần tiếp tục hoàn thiện công thức tính lưu lượng đỉnh lũ thiết kế đối với lưu vực nhỏ,

cụ thể là vấn đề xác định các tham số về mưa trong các công thức tính lưu lượng đỉnh

lũ thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta hiện nay

- Nội dung luận án gồm có 4 chương; phần mở đầu; kết luận và kiến nghị; ngoài ra còn

có 1 quyển phụ lục đóng riêng

+/ Phần mở đầu

+/ Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

+/ Chương 2: Nghiên cứu đặc điểm mưa chịu tác động của hiện tượng biến đổi khí hậu trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường

+/ Chương 3: Xác định lượng mưa ngày tính toán và nghiên cứu xác định hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa

+/ Chương 4: Nghiên cứu xác định tham số cường độ mưa trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường ở Việt Nam

+/ Kết luận và kiến nghị

+/ Quyền Phụ lục luận án: được đóng riêng, trong đó là các đồ thị, bảng tra kết quả

tính các thông số về mưa như Hn,p , đường cong a-T-p lập bằng phương pháp tính trực tiếp, các giá trị T, Sp, m, A, B,  tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu lập với

số liệu đo mưa thực tế thu thập từ năm 1960 - 2010; và các nội dung khác

2 Lý do chọn đề tài

- Các công trình thoát nước nhỏ trên đường thường chiếm một tỷ trọng khiêm tốn trong tổng giá thành xây dựng một con đường Mặc dù chiếm tỷ trọng không lớn hơn so với các hạng mục khác như nền, mặt đường, nhưng khả năng hoạt động tiêu thoát lũ của công trình thoát nước nhỏ lại ảnh hưởng rất lớn tới độ bền vững, chi phí khai thác

và hiệu quả sử dụng của con đường, ví dụ: xói lở ở hạ lưu gây hư hỏng công trình

cống thoát nước ngang đường khi gặp mưa lũ lớn kéo theo hư hỏng một đoạn nền, mặt đường, gây đình trệ giao thông, làm phát sinh lớn chi phí duy tu, sửa chữa công trình Đồng thời, ở một mức độ nào đó, khả năng tiêu thoát lũ của công trình thoát nước nhỏ trên đường còn ảnh hưởng tới môi trường sản xuất, sinh hoạt của cư dân trong vùng có công trình, như: hiện tượng tích nước ở thượng lưu làm ngập úng ruộng đồng, làng mạc ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp thường hay xảy ra ở miền Trung hiện nay sau khi xây dựng xong các con đường; hiện tượng ngập úng đường phố sau các cơn mưa lớn ở một số đô thị của nước ta hiện nay gây khó khăn, xáo trộn sinh hoạt và sản xuất, Tất cả những vấn đề trên đều liên quan đến khâu thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường, trong đó có việc tính toán xác định lưu lượng thiết kế Qp

- Trong những năm gần đây, hiện tượng biến đổi khí hậu, nước biển dâng diễn ra rất mạnh mẽ trên toàn cầu Đây là hiện tượng đã được các nhà khoa học xác định là có thực và theo đánh giá thì Việt Nam là một trong những nước bị ảnh hưởng nghiêm trọng của hiện tượng này Dưới tác động của hiện tượng biến đổi khí hậu, nước biển dâng, thiên tai và các hiện tượng khí hậu cực đoan gia tăng, ảnh hưởng đến chế độ mưa ở nước ta Do vậy ảnh hưởng đến các thông số về mưa sử dụng trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường, làm cho việc sử dụng các thành quả nghiên cứu các dữ liệu về mưa trước đây trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường trở nên giảm độ tin cậy

- Thực tiễn hiện nay ở nước ta cho thấy, các hiện tượng bất lợi như trên đối với công trình thoát nước nhỏ trên đường ngày một gia tăng Có những tuyến đường xuất hiện các hư hỏng tại các công trình thoát nước nhỏ trên đường do mưa lũ ngay sau khi hoặc chỉ sau một vài năm đưa vào sử dụng Thực tế trên đường Hồ Chí Minh do khẩu

độ cầu, cống tính toán không đủ tiêu thoát đã tạo ra những trận lũ quét dữ dội ‘‘thế năng biến thành động năng’’, ví dụ trận lũ quét lịch sử tại Sơn Diệm năm 2002 Rõ ràng, còn có vấn đề tồn tại trong việc tính toán xác định lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta hiện nay Nổi lên là vấn đề xác định các tham số

về mưa trong các công thức tính lưu lượng thiết kế

- Từ những đòi hỏi cấp thiết như trên, luận án “Nghiên cứu xác định một số tham số

về mưa góp phần hoàn thiện công thức tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường trong điều kiện khí hậu Việt Nam’’ được chọn nghiên cứu

3 Mục đích nghiên cứu

- Luận án chỉ tập trung nghiên cứu và giải quyết thông số về mưa (lượng mưa, cường

độ mưa, phân vùng mưa và các đặc trưng khác về mưa) dùng trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường Đây là thông số quyết định, quan trọng nhất, bất định nhất trong tính toán lưu lượng thiết kế Qp và hoàn toàn phụ thuộc vào đặc trưng khí hậu của riêng Việt Nam

- Các thông số khác về điều kiện mặt đệm như đặc trưng về địa hình, địa mạo, địa chất, thổ nhưỡng, lớp phủ thực vật, thấm, tổn thất, được xác định bằng các số liệu khảo sát đo đạc của lưu vực khi thiết kế (có thể xem cách xác định các thông số này như trong phụ lục 9 quyển phụ lục luận án) Thông số thời gian tập trung nước  của lưu vực được xác định bằng cách giải phương trình động lực học dòng chảy, các công thức nửa lý thuyết hay các công thức thực nghiệm Đã có nhiều kết quả nghiên cứu trên thế giới cũng như trong nước về các thông số này thu được kết quả khích lệ khi

áp dụng ở Việt Nam cho lưu vực nhỏ, như trong [1],[10],[12],[13], [15],[22],[23],[24],[25],[26], [27],[31], [32],[33], [34],[35],[37],[38],[39], [40], [42], [44], [47], [48], [49], [50], [51], [53], [54], [55], [56],

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: công trình thoát nước nhỏ (cầu nhỏ, cống, rãnh thoát nước

mặt) trên đường bộ, đường sắt, đường đô thị, sân bay

- Phạm vi nghiên cứu: cho lưu vực nhỏ, ở Việt Nam

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1) Nghiên cứu đặc điểm biến đổi của mưa, góp phần làm sáng tỏ hơn tình trạng bất thường của sự biến đổi của mưa trên lãnh thổ Việt Nam trong những thập kỷ gần đây Thấy được tính cấp thiết phải hiệu chỉnh hoặc dần thay thế mới cơ sở dữ liệu

về mưa phù hợp với các diễn biến thời tiết chịu tác động của hiện tượng BĐKH; kiến nghị giải pháp chủ động ứng phó với hiện tượng biến đổi cực đoan về mưa trong tính toán thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta hiện nay 2) Nghiên cứu xác định các tham số về mưa (lượng mưa ngày tính toán Hn,p , cường độ mưa tính toán aT,p , phân vùng mưa hợp lý và các đặc trưng khác về mưa: T, Sp, A,

B, m, ) phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam dùng trong các công thức tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường Một vài tham số mưa nghiên cứu xác định trong luận án (như tham số lượng mưa ngày tính toán Hn,p , hệ

số đặc trưng hình dạng cơn mưa T) còn được sử dụng trong công thức Sôkôlôpsky tính lưu lượng thiết kế cho lưu vực vừa và lớn; sử dụng trong tính toán mưa rào – dòng chảy bằng mô hình NAM - MIKE cho kết quả tin cậy

3) Trạm đo mưa ở nước ta thì nhiều nhưng phần lớn là đo lượng mưa ngày, số trạm khí tượng có máy đo mưa tự ghi còn ít, do vậy khi phương pháp xác định trực tiếp tham

số cường độ mưa tính toán aT,p dựa vào số liệu đo mưa tự ghi thực tế chưa được phổ biến thì việc nghiên cứu xây dựng các công thức thực nghiệm tính gián tiếp tham số cường độ mưa tính toán aT,p trong luận án; vấn đề chuyển lượng mưa ngày tính toán

Hn,p thành lượng mưa tính toán từng thời khoảng ngắn HT,p là rất cần thiết đối với thực tiễn tính toán lưu lượng đỉnh lũ thiết kế của lưu vực công trình thoát nước trên đường Việt Nam

4) Để quy hoạch phòng lũ tốt thì vấn đề trước tiên yêu cầu là phân vùng mưa lũ hợp lý, phù hợp với đặc điểm mưa của từng vùng Luận án đã nghiên cứu đề xuất tiêu chí, phương pháp phân vùng mưa phục vụ cho việc xây dựng bản đồ phân vùng mưa hợp lý với tỷ lệ lớn, phù hợp đối với yêu cầu tính toán lưu lượng lũ lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường ở Việt Nam

5) Luận án xác lập được giá trị cụ thể các tham số về mưa, như: lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết kế, hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T, sức mưa Sp,

hệ số vùng khí hậu A, B, hệ số hình dạng cơn mưa m, hệ số hồi quy của vùng khí hậu , cường độ mưa chuẩn aTo,p dùng trong 7 công thức thực nghiệm mà luận án nghiên cứu, phát triển để tính cường độ mưa tính toán aT,p ứng với thời gian tập trung nước tính toán và tần suất thiết kế, cho 12 trạm khí tượng nghiên cứu là các trạm: TX.Mường Lay-T.Điện Biên, TP.Tuyên Quang-T.Tuyên Quang, TP.Lạng Sơn-T.Lạng Sơn, Trạm Láng-TP.Hà Nội, Trạm Hà Đông-HN, TX.Sơn Tây-HN, TP.Vinh-T.Nghệ An, TP.Đồng Hới-T.Quảng Bình, TPhố.Đà Nẵng, TP.Nha Trang-T.Khánh Hòa, TP.Buôn Ma Thuột-T.Đắk Lắk, TPhố.Cần Thơ, với số liệu đo mưa thực tế thu thập từ năm 1960 - 2010, kiến nghị tham khảo sử dụng vào thực tiễn tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường hiện nay ở những khu vực này của nước ta

6) Luận án cũng góp phần làm phong phú thêm các kiến thức trong việc xác định các tham số về mưa sử dụng trong tính toán lưu lượng đỉnh lũ thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường

6 Những đóng góp mới của luận án

1) Xác định được các giá trị lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết kế ở 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu trên cơ sở chuỗi số liệu đo mưa thực tế dài, từ năm

1960 - 2010, trong đó thời gian cuối được cho là ứng với bối cảnh mới có sự tác động của hiện tượng BĐKH, ứng dụng để tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường theo tiêu chuẩn thiết kế hiện hành TCVN9845:2013 [5] hay sử dụng trong công thức Sôkôlôpsky tính lưu lượng thiết kế cho lưu vực vừa và lớn (ở những khu vực có các trạm khí tượng này)

2) Xác định được các giá trị hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T cho khu vực 12 trạm khí tượng nghiên cứu với thời kỳ đo mưa từ năm 1960 - 2010, dùng để tính cường độ mưa tính toán ứng với thời gian tập trung nước của lưu vực và tần suất thiết kế sử dụng trong tiêu chuẩn TCVN9845:2013 [5] tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường Đồng thời nó là tham số quan trọng dùng để tính chuyển từ lượng mưa ngày tính toán Hn,p sang lượng mưa tính toán từng thời khoảng ngắn HT,p dùng trong công thức Sôkôlôpsky tính lưu lượng thiết kế cho lưu vực vừa và lớn, trong tính toán mưa rào - dòng chảy bằng mô hình NAM - MIKE cho kết quả tin cậy Ngoài ra hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T còn có thể được dùng làm tiêu chí để phân vùng mưa

3) Tổng kết và nghiên cứu cải tiến thành 7 dạng công thức thực nghiệm tính tham số cường độ mưa tính toán aT,p ứng với thời gian tập trung nước của lưu vực và tần suất thiết kế dùng để tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường tương ứng với các điều kiện khác nhau về dữ liệu mưa hiện có ở vùng thiết kế, trong đó có 3 dạng là công thức cải tiến mới của luận án, các công thức còn lại các

hệ số trong công thức được luận án xây dựng mới cho khu vực 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu với thời kỳ đo mưa từ năm 1960 - 2010

Chương 1:

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Các nghiên cứu liên quan ở trong và ngoài nước

1.1.1 Sự hình thành dòng chảy lũ do mưa trên lưu vực [15]

- Khi mưa rơi xuống lưu vực, ban đầu nước mưa đọng trên các lá cây, thảm phủ thực vật, trữ vào trong các khe rỗng và chỗ trũng, một phần rất nhỏ lượng nước bốc hơi trở lại khí quyển, đại bộ phận thấm xuống đất và chưa sinh dòng chảy trên bề mặt lưu vực, cường độ mưa at lúc này nhỏ hơn cường độ tổn thất gt Giai đoạn này được gọi là giai đoạn tổn thất hoàn toàn

- Nếu mưa vẫn tiếp tục, khi cường độ mưa at vượt quá cường độ tổn thất gt sẽ bắt đầu sinh dòng chảy trên bề mặt và sẽ lớn dần lên Dưới tác dụng của trọng lực nước sẽ chảy tràn theo bề mặt sườn dốc lưu vực vào lòng sông suối và tập trung về mặt cắt đặt công trình thoát nước, giai đoạn này được gọi là giai đoạn sinh dòng chảy

- Trong giai đoạn sinh dòng chảy, tổn thất vẫn tiếp tục Từ thời điểm kết thúc giai đoạn sinh dòng chảy trở đi đến lúc mưa kết thúc lại có cường độ mưa at nhỏ hơn cường độ tổn thất gt Như vậy trong giai đoạn này mặc dù mưa vẫn còn nhưng đã không còn tác dụng cung cấp nước cho dòng chảy mặt trên lưu vực nữa

- Quá trình trên có thể mô tả khái quát như ở Hình 1.1 sau

+) Trong hình 1.1 các đường at t và

đường gt t là đường quá trình mưa

và đường cong tổn thất, trong đó at

và gt lần lượt là cường độ mưa và

cường độ tổn thất tại thời điểm t bất

kỳ

+) Thời gian mưa là Tmưa , trong giai

đoạn sinh dòng chảy có at  gt,

khoảng thời gian này gọi là thời gian

mưa hiệu quả hay thời gian cấp nước

Hình 1.1: Mô tả khái quát sự hình thành dòng chảy lũ do mưa trên lưu vực

hay thời gian cung cấp dòng chảy Tcn , ta luôn có Tcn < Tmưa

+) Hiệu số ahqt = (at - gt)  0 trong giai đoạn sinh dòng chảy gọi là cường độ mưa hiệu quả hay cường độ cấp nước hay cường độ dòng chảy tại thời điểm t

t

Sinh dßng ch¶y Tæn thÊt hoµn toµn

Tcn

T0

1.1.2 Các công thức tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường

Hiện nay, lý luận cũng như phương pháp, công thức tính toán dòng chảy lũ có rất nhiều Đối với công trình thoát nước nhỏ trên đường, việc xác định lưu lượng thiết kế hiện nay ở các nước có nền khoa học tiên tiến như Mỹ, Anh, Pháp, Nga, Nhật Bản, Trung Quốc, đều sử dụng công thức cường độ giới hạn Ở Việt Nam, trong các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành, TCVN9845:2013 Tính toán các đặc trưng dòng chảy lũ [5] và TCVN7957:2008, Thoát nước - mạng lưới và công trình bên ngoài [8] cũng sử dụng công thức cường độ giới hạn để xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô và đường đô thị

Công thức cường độ giới hạn xác định lưu lượng đỉnh lũ thiết kế được rút ra từ công thức căn nguyên dòng chảy nổi tiếng mà cơ sở của nó là lý thuyết tập trung nước từ lưu vực Lý thuyết này đầu tiên được các nhà bác học Liên Xô (cũ) phân tích, nghiên cứu (N.E Đôngôv, M.E Velikanov và M.M Prôtôđiakônov) và hiện nay nó được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong lĩnh vực tính toán thủy văn Dưới đây là trình bày tóm tắt lý thuyết tập trung nước từ lưu vực, theo tài liệu [32]

1.1.2.1 Những cơ sở của lý thuyết tập trung nước từ lưu vực [32]

 Các giả thiết của M.M Prôtôđiakônov

+) Lưu vực có dạng đều, ở giữa là lòng sông suối

+) Mưa và tổn thất phân bố đồng đều trên toàn lưu vực và có cường độ không thay đổi trong thời gian tính toán

+) Coi tần suất mưa sinh ra dòng chảy lũ bằng tần suất dòng chảy lũ trên lưu vực

 Thời gian tập trung nước của lưu vực, ký hiệu là : là thời gian để một giọt nước xa nhất trên lưu vực kịp chảy về mặt cắt đặt công trình thoát nước

 Đường đẳng thời: là đường nối các điểm trên lưu vực có cùng thời gian nước chảy về mặt cắt đặt công trình thoát nước

 Công thức xác định lưu lượng cực đại của dòng chảy lũ do mưa trên lưu vực

- Phân tích quy luật nước chảy từ các sườn dốc lưu vực về công trình thoát nước, các tác giả của lý thuyết tập trung nước từ lưu vực nhận thấy rằng: lưu lượng nước mưa chảy về công trình tăng dần theo thời gian và đạt giá trị cực đại khi giọt nước từ điểm

xa nhất trên lưu vực kịp chảy về mặt cắt đặt công trình thoát nước Thực tế đó được chứng minh qua sơ đồ ở các hình 1.2, hình 1.3 và các phân tích sau đây

+ Lưu vực F có thời gian tập trung nước là , vẽ trên lưu vực những đường đẳng thời gian nước chảy về mặt cắt đặt công trình thoát nước sau 1, 2, 3, 4, đơn vị thời gian (đvtg), trong tính toán cường độ mưa đơn vị thời gian thường tính là phút

+ Gọi a là cường độ mưa và giả sử chưa xét đến tổn thất thì a sẽ bằng chiều dầy cung cấp dòng chảy trong 1 đơn vị thời gian, thường tính là phút Quy luật thay đổi lưu lượng qua mặt cắt đặt công trình thoát nước như sau

Q1 = a.f1+ Sau phút thứ hai, ngoài lượng nước mưa trên phần diện tích f1 còn có thêm lượng nước mưa trên phần diện tích f2 của lưu vực chảy về mặt cắt đặt công trình thoát nước Theo nguyên tắc xếp chồng lượng nước, lưu lượng nước chảy qua mặt cắt đặt công trình thoát nước sau phút thứ hai là: Q2 = a.(f1 + f2)

+ Cũng lập luận tương tự, có được lưu lượng nước chảy qua mặt cắt đặt công trình thoát nước sau phút thứ ba, thứ tư là: Q3 = a.(f1 + f2 + f3)

a.f1 a.f2

a.f3 a.f4

a.f1 a.f2

a.f3

a.f1 a.f2

a.f3

a.f3 a.f4

a.f1 a.f2

a.f3 a.f4

B¾t ®Çu:

a.f1 a.f2

a.f3 a.f4

a.f1 a.f2

a.f3 a.f4

a.f1 a.f2

a.f3 a.f4

a.f1 a.f2

a.f3

a.f3 a.f4

a.f1 a.f2

a.f3

Q4 = a.(f1+f2+f3+f4) a.f4

Từ sau phút thứ tư trở đi là: Q4 = a.(f1 + f2 + f3 + f4)

+ Nhận thấy, lưu lượng lớn nhất chảy qua mặt cắt đặt công trình thoát nước sẽ do toàn bộ diện tích lưu vực F tạo ra và thời đoạn mưa tạo ra lưu lượng lớn nhất Qmax đúng bằng thời gian tập trung nước  của lưu vực

Qmax = a.F Như vây, để xác định lưu lượng đỉnh lũ Q max chỉ cần xét trong thời đoạn mưa tính toán T đúng bằng thời gian tập trung nước  của lưu vực Cường độ mưa a của cơn mưa tính toán giả thiết có giá trị không đổi được lấy bằng cường độ mưa trung bình lớn nhất trong thời gian tập trung nước , hay còn được gọi là cường độ mưa giới hạn lớn nhất trong khoảng thời gian tập trung nước , được xác định ở đoạn dốc nhất của đường cong tích lũy mưa ứng với thời đoạn mưa tính toán T =  như ở Hình 4.2 - Chương 4

- Công thức Qmax = a.F chưa xét đến các tổn thất, để phục vụ cho tính toán thực tế phải xét tới tổn thất qua các hệ số thực nghiệm Ngoài ra công trình thoát nước trên đường được thiết kế với lũ tần suất p% nên Qmax thường được ký hiệu là Qp và xét tới đơn vị tính của các tham số trong công thức, có được công thức (1.1) tính lưu lượng đỉnh lũ thiết kế tại mặt cắt đặt công trình thoát nước của lưu vực như sau

F a K

Q p  . ,p. (1.1) Trong đó: Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p

F là diện tích lưu vực

 là hệ số dòng chảy, xét đến lượng nước mưa bị tổn thất

a,p là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất p Chính là cường độ mưa trung bình lớn nhất trong thời gian tập trung nước  và tần suất p, còn được gọi là cường độ mưa giới hạn lớn nhất ở thời gian tập trung nước  và tần suất p

K là hệ số chuyển đổi đơn vị khi các đại lượng trong công thức không tính ở cùng đơn vị Khi Qp tính bằng m3/s, a,p tính bằng

mm/ph, F tính bằng km2, thì: 16.67

60

*1000

10002





K

- Công thức (1.1) là công thức cơ bản Từ công thức cơ bản (1.1), rất nhiều các tác giả

đã nghiên cứu áp dụng và hoàn chỉnh cho phù hợp với điều kiện thực tế về quy luật phân bố cường độ mưa, điều kiện nước chảy trên các lưu vực tự nhiên

- Với công thức (1.1) hoàn toàn có thể từ tài liệu về mưa để tính ra được lưu lượng đỉnh lũ Đối với lưu vực của công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta, điều kiện tài liệu thường chỉ có số liệu đo mưa, không có số liệu đo lũ thực tế nên sử dụng dạng công thức (1.1) để tính lưu lượng thiết kế là phù hợp

1.1.2.2 Các công thức xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường ở một số nước trên thế giới

Công thức cường độ giới hạn dạng (1.1) được sử dụng rộng rãi và phổ biến để xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường Ngay cả các công thức thực nghiệm, nửa thực nghiệm cũng thường được đưa về dạng này, trong

đó việc thực nghiệm nhằm xác định các hệ số trong công thức

- Ở Anh: công thức cường độ giới hạn [24], [50]

A I C K

Q là lưu lượng dòng chảy; C là hệ số dòng chảy, phụ thuộc vào đặc trưng bề mặt lưu vực; I là cường độ mưa trung bình ứng với thời gian tập trung nước; A là diện tích lưu vực; K là hệ số chuyển đổi đơn vị

- Ở Mỹ: sử dụng công thức cường độ giới hạn [20]

A I C K

với: K.I = q là mô đuyn dòng chảy mưa tính toán

- Ở Pháp: Albert Caquot xây dựng công thức thực nghiệm biểu thị dưới dạng phương trình cân bằng thể tích dựa trên nguyên lý hiệu quả năng lực của mạng lưới Đây được đánh giá là một trong những mô hình nổi tiếng của thế giới và được áp dụng từ lâu ở Pháp: .H.A.C Q.( ).t c

Như vậy H/tc = atc chính là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước tccủa lưu vực, viết lại có dạng công thức (1.4) như sau

c

).(





- Ở Nga và các nước thuộc Liên Xô (cũ): sử dụng công thức cường độ giới hạn

+) Công thức cường độ giới hạn của Viện Thiết kế đường Liên Xô (cũ) do B.F.PEREVÔZNHEKÔP đề xuất [32]

d i p

Q  . , . . (1.5)

Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p;  là hệ số dòng chảy trên sườn dốc; a,p

là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất thiết kế p; F là diện tích lưu vực; Ki là hệ số xét ảnh hưởng của độ dốc lòng suối

và bề mặt lưu vực; Kd là hệ số hình dạng lưu vực; K là hệ số chuyển đổi đơn vị

 là hệ số triết giảm lưu lượng dòng chảy phụ thuộc vào diện tích lưu vực, xác định tra bảng theo diện tích lưu vực F hay tính theo công thức phụ thuộc vào

 với sd là thời gian tập trung nước trên sườn dốc,

Tcn là thời gian cung cấp dòng chảy Hoặc có thể tính  bằng công thức kinh

 với C, n là các hệ số kinh nghiệm

+) Công thức cường độ giới hạn theo Tiêu chuẩn dòng chảy BCN 63-67 của Bộ Giao Thông Vận Tải Liên Xô (cũ) [32]

+) Công thức cường độ giới hạn của Viện Thủy văn Nhà nước Liên Xô (cũ), (quy trình CH435-72) [32]

p n

Q  1%.. ,1% .1. (1.7)

Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p; A1% là mô đuyn dòng chảy đỉnh lũ tương đối ứng với tần suất 1%, xác định phụ thuộc vào thời gian tập trung nước

trên sườn dốc sd, vùng mưa và đặc trưng địa mạo thủy văn của lòng sông ls;  là

hệ số dòng chảy lũ; Hn,1% là lượng mưa ngày tính toán ở tần suất 1%; F là diện tích lưu vực; 1 là hệ số xét đến ảnh hưởng giảm nhỏ lưu lượng của ao hồ, đầm lầy và phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích ao hồ, đầm lầy trên lưu vực; p là hệ số xét ảnh hưởng của tần suất tới lưu lượng, chuyển đổi lưu lượng ở tần suất 1% sang lưu lượng ở tần suất thiết kế p%, nó phụ thuộc vào vùng khí hậu, tần suất thiết kế

và diện tích lưu vực

- Ở Nhật Bản: dùng công thức cường độ giới hạn dạng (1.3) của Mỹ

- Ở Trung Quốc: công thức cường độ giới hạn [52]

F a K F

H K

độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất thiết kế p Căn cứ vào tài liệu đo mưa rào thực tế trong phạm vi toàn quốc, Viện nghiên cứu thủy văn đã phân tích tìm ra công thức tính lượng mưa tính toán HT,p ở thời đoạn T và

p p

, 1

với: HT,p là lượng mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p

H1h,p là lượng mưa giờ lớn nhất ở tần suất p, H1h,p  H241,m p

24

H24,p là lượng mưa 24 giờ lớn nhất ở tần suất p

m là chỉ số triết giảm của mưa rào

1.1.2.3 Các công thức xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường ở Việt Nam

- Công thức theo TCVN9845:2013 Tính toán các đặc trưng dòng chảy lũ [5]

+) Đây là công thức hiện hành đang áp dụng trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường ở Việt Nam với diện tích lưu vực F  100 km2, cho đường ngoài đô thị, trong tiêu chuẩn thiết kế TCVN9845:2013 [5] do Bộ Khoa học và Công nghệ ban hành

+) Xuất phát điểm là công thức cơ bản (1.1) nhưng thực hiện một số biển đổi được công thức tính lưu lượng thiết kế như công thức (1.9) sau đây

1 ,

A

Trong đó: Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p (m3/s)

Ap là mô đuyn dòng chảy đỉnh lũ tương đối ở tần suất thiết kế p

 là hệ số dòng chảy lũ

Hn,p là lượng mưa ngày tính toán ở tần suất thiết kế p (mm)

1 là hệ số xét đến ảnh hưởng giảm nhỏ lưu lượng của ao hồ, đầm lầy và phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích ao hồ, đầm lầy trên lưu vực

F là diện tích lưu vực (km2)

+) Các biến đổi là, [sử dụng thêm công thức (1.14) để biến đổi]

p n p p p

và: K là hệ số chuyển đổi đơn vị, ở đây bằng 16.67

 là thời gian tập trung nước của lưu vực (ph)

 là hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa ở thời gian tập trung nước  +) Trong tiêu chuẩn, hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T ~ T được xác lập cho 18 vùng mưa trên toàn quốc với số liệu đo mưa đến năm 1987 Vì Qp phụ thuộc vào a,p,

mà a,p phụ thuộc vào ,  lại phụ thuộc vào a,p và Qp, do vậy phương trình (1.9) được giải bằng cách tính lặp Trong [5] đã đưa ra cách giải rất thuận tiện bằng cách sử dụng hai thông số trung gian là hệ số đặc trưng địa mạo thủy văn của sườn dốc lưu vực sd

và hệ số đặc trưng địa mạo thủy văn của lòng sông suối chính ls, lập thành các bảng tra sẵn để sử dụng khi tính toán

+) Công thức (1.9) còn được gọi là công thức cường độ giới hạn tính lưu lượng thiết

kế từ lượng mưa ngày tính toán

- Công thức cường độ giới hạn của Đại học Xây Dựng Hà Nội (Công thức do GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục đề xuất sử dụng) [3], [32]

+) Các công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta thường có diện tích lưu vực nhỏ (thường dưới 1 km2 đến một vài km2) nên thời gian tập trung nước ngắn Chính

vì vậy việc tính lưu lượng thiết kế dựa vào thông số cường độ mưa có thời gian mưa tính toán ngắn nhưng cường độ mưa lớn sẽ chính xác hơn so với việc sử dụng thông

số lượng mưa ngày như trong công thức (1.9) của tiêu chuẩn thiết kế [5] Trên quan điểm đó, từ những năm 1980, GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục đã đề xuất sử dụng công

thức (1.10) sau đây để tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường với diện tích lưu vực F  30 km2 cho Việt Nam Công thức (1.10) được đưa vào trong

Sổ tay tính toán thủy văn [3] của Bộ GTVT

+) Công thức là: Q p  16 67.a ,p.F..1 (1.10)

Trong đó: Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p (m3/s)

a,p là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất thiết kế p (mm/ph)

 là hệ số dòng chảy lũ

F là diện tích lưu vực (km2)

 hệ số triết giảm lưu lượng dòng chảy phụ thuộc diện tích lưu vực

1 là hệ số xét đến ảnh hưởng giảm nhỏ lưu lượng của ao hồ, đầm lầy

và phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích ao hồ, đầm lầy trên lưu vực

K = 16.67 là hệ số chuyển đổi đơn vị

Các hệ số , , 1 và cách xác định thời gian tập trung nước  có thể tham khảo các bảng tra ở Phụ lục 8, từ Bảng PL.8-1 đến PL.8-8 trong Quyển phụ lục luận án

- Công thức cường độ giới hạn sử dụng trong tính toán thoát nước đường đô thị theo TCVN7957:2008 [8]

+) Đây là công thức trong tiêu chuẩn thiết kế thoát nước đô thị hiện nay ở Việt Nam theo tiêu chuẩn thiết kế TCVN 7957:2008 [8] của Bộ Khoa học và Công nghệ

+) Công thức là: Q p C.q ,p.F (1.11)

Trong đó: Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p (lít/s)

C là hệ số dòng chảy, phụ thuộc vào tính chất bề mặt lưu vực và p

q,p là mô đuyn dòng chảy mưa hay cường độ mưa theo thể tích tính toán ứng với thời gian tập trung nước  và tần suất thiết kế p

p p

F là diện tích lưu vực (ha)

Khi diện tích lưu vực F  300ha thì phải nhân thêm hệ số  vào trong công thức

 là hệ số mưa không đều, phụ thuộc vào diện tích lưu vực

1.1.2.4 Công thức Sôkôlôpsky [3], [15], [32]

+) Đây thuộc loại công thức thể tích, được sử dụng để tính lưu lượng công trình thoát nước trên đường với diện tích lưu vực F >100 km2 với sông vừa và nhỏ Năm 1972 được đưa vào quy trình Khảo sát và thiết kế cầu vượt sông của Liên Xô (cũ)

) (

278 0

Q F f t

H H Q

l

p

Trong đó: Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p (m3/s)

H,p là lượng mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực

và tần suất thiết kế p Đó chính là lượng mưa lớn nhất trong thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất thiết kế p (mm)

H0 là lớp nước mưa tổn thất ban đầu (mm)

 là hệ số dòng chảy lũ , F là diện tích lưu vực (km2)

f là hệ số hình dạng lũ , tl là thời gian lũ lên (h)

 là hệ số xét đến ảnh hưởng giảm nhỏ lưu lượng của ao hồ, đầm lầy và rừng cây trên lưu vực, có thể được tính theo công thức sau:

 = 1.2, với 1 là hệ số xét đến ảnh hưởng triết giảm của ao hồ và đầm lầy, 2 là hệ số xét đến ảnh hưởng giảm nhỏ lưu lượng của rừng cây Cũng có thể xác định hệ số  theo công thức kinh nghiệm:   1  0 6 lg( 1 F a 0 2F l F r), với Fa, Fl, Fr là tỷ lệ diện tích ao hồ, đầm lầy, rừng cây trên lưu vực, tính theo %

K là hệ số chuyển đổi đơn vị, ở đây 0 278

3600

* 1000

10002





K

Q0 là lưu lượng nước trong sông trước khi có lũ (m3/s)

1.1.2.5 Xác định lưu lượng theo phương trình cân bằng lượng nước [11], [32]

+) Phương pháp này còn gọi là phương pháp chính xác, từ năm 1961 được đưa vào quy phạm dòng chảy BCH 63-61 của Liên Xô (cũ) Phương pháp này cho phép xác định giá trị lưu lượng cực đại và đường quá trình lưu lượng thay đổi theo thời gian, xác định thể tích dòng chảy ứng với bất kỳ tần suất lũ nào Nó cũng cho phép xác định khẩu độ công trình thoát nước có xét đến hiện tượng tích nước ở thượng lưu hay nước ngập ở hạ lưu, xét được kết hợp quá trình thủy lực - thủy văn của dòng chảy lũ +) Cơ sở lý thuyết của phương pháp là định luật bảo toàn vật chất Tại bất cứ một thời điểm nào kể từ khi bắt đầu có dòng chảy cho tới khi nước chảy hết, lưu lượng qua công trình thoát nước được xác định dựa vào phương trình cân bằng lượng nước

Q ls

W

Trong đó: W là tổng thể tích dòng chảy trên lưu vực

Wsd là thể tích dòng chảy ở sườn dốc lưu vực

Wls là thể tích dòng chảy ở lòng sông suối

WQ là thể tích dòng chảy qua công trình thoát nước

+) Tổng thể tích dòng chảy trên lưu vực W



.)

Trong đó: h là chiều dầy dòng chảy tính toán ở thời gian t và tần suất p (mm)

t a

h. t,p.

hoặc h  (a t,p i).t

at,p - cường độ mưa tính toán của thời gian t, tần suất p (mm/ph)

 - hệ số dòng chảy , i - cường độ thấm (mm)

t - thời gian mưa tính toán (ph)

Z là lượng tổn thất ban đầu do thấm ướt và cỏ cây giữ lại (mm)

 là hệ số mưa không đều trên lưu vực

b W

Trong đó: bt là chiều dài sườn dốc lưu vực từ điểm xa nhất tới vị trí bắt đầu có

chiều dầy dòng chảy hình thành lớn nhất ở thời gian tính toán t (m)

bsd là chiều dài bình quân của sườn dốc lưu vực (m)

 là thời gian tập trung nước của lưu vực (ph), xác định như sau

 = A(Jsd, at,p) D(bsd, msd)

tz thời gian cung cấp dòng chảy trong thời gian mưa tính toán t (ph)

h

Z h t

t z  

+) Thể tích dòng chảy ở lòng sông suối Wls: giả thiết dòng chảy trong lòng sông suối

có dạng hình chóp nón với đáy là , chiều cao là chiều dài lòng sông suối

n

ls

l ls ls ls

L

l L L

Trong đó:  là diện tích mặt cắt ướt tính toán (m2)

Lls là chiều dài lòng sông suối chính (km)

li là tổng chiều dài các suối nhánh (km), xác định theo phụ lục 9

n là hệ số phụ thuộc vào địa hình, lấy bằng: 1/6 với địa hình vùng đồng bằng, 1/4 với vùng đồi và 1/3 với vùng núi

+) Thể tích nước chảy qua công trình WQ (1000m3):  

t t

W

0

Trong đó: Qt xác định theo phương pháp hình thái mặt cắt, Qt = t.vt

và vận tốc vt tính theo công thức Sêdi - Maninh

+) Phương trình (1.13) được giải bằng cách tính thử dần Muốn tìm lưu lượng đỉnh lũ

ta phải tính lưu lượng nước chảy qua công trình ứng với nhiều giá trị thời gian mưa t

Vẽ đường quan hệ biến đổi lưu lượng Q ~ t, tìm được lưu lượng đỉnh lũ thiết kế Nếu xét đến ảnh hưởng của ao hồ, đầm lầy thì lưu lượng Q tính ra được nhân với hệ số 1

1.1.2.6 Nhận xét về các công thức tính lưu lượng thiết kế

Từ các công thức tính lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường như trên nhận thấy: các công thức tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường sử dụng rộng rãi trên thế giới hiện nay đều liên quan đến lượng mưa hoặc cường độ mưa tính toán, như công thức cường độ giới hạn của Anh, Mỹ, Pháp, Nga và các nước thuộc Liên Xô cũ, Nhật Bản, Trung Quốc, Việt Nam,

Công thức Sôkôlôpsky, công thức tính lưu lượng theo phương trình cân bằng lượng nước cũng dựa vào lượng mưa tính toán

1.1.3 Vấn đề xác định các tham số về mưa trong các công thức tính lưu lượng thiết

kế công trình thoát nước nhỏ trên đường

Theo công thức cường độ giới hạn, cũng như công thức Sôkôlôpsky, tính theo phương trình cân bằng lượng nước, lưu lượng thiết kế Qp của một lưu vực F nào đó chỉ được xác định khi biết được các tham số trong công thức là tham số về mưa, tham

số về tổn thất và tham số thời gian tập trung nước Như vậy trong các công thức tính

Qp, ngoài các tham số về mưa mang nhiều yếu tố bất định do phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, các thông số xác định lượng tổn thất (như hệ số dòng chảy , cường độ thấm

i, hệ số tổn thất do ao hồ, đầm lầy 1, ) và thông số thời gian tập trung nước  được xác định bằng các bảng tra thực nghiệm lập sẵn, các công thức kinh nghiệm hoặc nửa

lý thuyết như đang sử dụng trong các quy trình thiết kế ở nước ta

Luận án tập trung chính vào vấn đề tham số mưa Các tham số về mưa trong các công thức tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường là

./ Lượng mưa ngày tính toán Hn,p ở tần suất thiết kế p

./ Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T và vấn đề phân vùng mưa

./ Cường độ mưa tính toán a,p ở thời gian tập trung nước  và tần suất thiết kế p

1.1.3.1 Lượng mưa ngày tính toán H n,p

- Lượng mưa ngày tính toán Hn,p được xác định theo phương pháp phân tích thống kê trên cơ sở chuỗi số liệu quan trắc đo lượng mưa ngày thực tế trong nhiều năm liên tục tại các trạm đo mưa ở khu vực thiết kế công trình

- Tính đến nay, cơ sở dữ liệu về lượng mưa ngày tính toán Hn,p đầy đủ nhất ở nước ta

sử dụng để tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước trên đường được thành lập năm 1987, trong tiêu chuẩn thiết kế TCVN9845:2013 Tính toán các đặc trưng dòng chảy lũ do Bộ Khoa học và Công nghệ ban hành [5], cho 589 điểm đo mưa trên toàn quốc với các mức tần suất p = 1%, 2%, 4%, 10%, 25%, 50%

- Từ đó đến nay đã trải qua trên 25 năm, chế độ mưa ở nước ta đã bị thay đổi, chịu ảnh hưởng của hiện tượng biến đổi khí hậu nên cơ sở dữ liệu này đến nay đã kém chính xác Chính vì vậy, trong tiêu chuẩn thiết kế [5] cũng khuyến cáo nên thu thập số liệu

đo lượng mưa ngày thực tế ở trạm đo mưa trong khu vực thiết kế đến thời điểm thiết

kế công trình để xác định lượng mưa ngày tính toán Hn,p sử dụng vào việc tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước trên đường

1.1.3.2 Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa  T và phân vùng mưa

- Trong quy phạm thủy lợi, QP.TL.C-6-77 Quy phạm tính toán các đặc trưng thủy văn thiết kế [7], ban hành năm 1977, các tác giả đã đưa ra bảng phân khu mưa rào cho phần lãnh thổ miền Bắc Việt Nam với 10 khu và xác lập giá trị các đường cong hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T  T cho từng khu

- Qua nghiên cứu các tài liệu đo mưa trong mấy chục năm, một số tác giả đã đưa ra các

sơ đồ phân khu mưa rào khác Năm 1980, tác giả Hoàng Minh Tuyển, Viện Khí tượng thủy văn, với số liệu đo mưa thu thập ở 60 trạm khí tượng trên toàn quốc dài từ

10 - 20 năm (50% số trạm có chuỗi số liệu dài 20 năm bắt đầu từ 1961, chủ yếu ở miền Bắc, còn lại dài 10 năm ở miền Nam), tác giả đã phân toàn bộ lãnh thổ Việt Nam thành 15 vùng mưa và xác lập giá trị các đường cong hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T  T cho 15 vùng mưa này [60]

- Năm 1991, tác giả Hoàng Niêm và Đỗ Đình Khôi đã chia toàn bộ lãnh thổ Việt Nam thành 18 vùng mưa tương ứng với 18 đường cong hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa

T  T được xác lập cho từng vùng [29], [40] Năm 1993, TS Trịnh Nhân Sâm, Viện thiết kế Giao thông, cũng đưa ra sự phân vùng mưa tương tự cho lãnh thổ Việt Nam, phân toàn lãnh thổ thành 18 vùng mưa như trên nhưng giá trị hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T của các đường cong T  T xác lập ở các vùng mưa có khác đi chút ít [29], [40] Kết quả này được đưa vào trong tiêu chuẩn thiết kế [5], TCVN9845:2013 Tính toán các đặc trưng dòng chảy lũ, hiện nay đang dùng để tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước trên đường ở nước ta

- Như vậy, qua thời kỳ các năm, chế độ mưa ở nước ta bị thay đổi dẫn đến việc phân vùng mưa cũng được hiệu chỉnh cho phù hợp, giá trị hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T ở các vùng mưa cũng được hiệu chỉnh, xác lập lại cho phù hợp

1.1.3.3 Xác định cường độ mưa tính toán a T,p : việc xác định thông số cường độ mưa

tính toán luôn là vấn đề khó khăn, phức tạp nhất Các nghiên cứu trong nước và quốc

tế hiện nay có các hướng sau đây để xác định aT,p

- Tính trực tiếp a T,p : trên cơ sở có đủ số liệu quan trắc đo mưa thực tế bằng máy đo

mưa tự ghi tại các trạm khí tượng, dùng phương pháp phân tích thống kê tính ra giá trị cường độ mưa tính toán aT,p ở thời đoạn mưa tính toán T và tần suất thiết kế p (trong tính toán lưu lượng công trình thoát nước, thời đoạn mưa tính toán T được lấy bằng thời gian tập trung nước  của lưu vực) Có thể lập sẵn thành các biểu đồ quan

hệ cường độ mưa - thời gian - tần suất (biểu đồ a -T - p) cho từng vùng có chế độ mưa như nhau, sử dụng để tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường Xu hướng này được sử dụng thịnh hành ở Mỹ, Nhật, Úc, và các nước phát triển có hạ tầng mạng lưới các trạm khí tượng đo mưa tự ghi đầy đủ, lâu dài

- Xác định cường độ mưa tính toán a T,p dựa vào lượng mưa ngày tính toán H n,p và hệ

số đặc trưng hình dạng cơn mưa  T

p n T p

T

Trong đó: aT,p là cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p

T là hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa ở thời đoạn T, lập cho từng vùng mưa

Hn,p là lượng mưa ngày tính toán ở tần suất p

T là thời đoạn mưa tính toán, khi tính toán lưu lượng Qp lấy T = 

Phương pháp này do Alêchxâyep đề xuất được sử dụng ở Liên Xô trước đây và hiện nay đang được sử dụng ở Việt Nam để tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường, mà cụ thể trong tiêu chuẩn thiết kế TCVN9845:2013 [5]

- Xây dựng các công thức thực nghiệm để tính cường độ mưa tính toán a T,p

+) Ở Liên Xô cũ, Trung Quốc thường dùng dạng chung là, [25], [29], [32], [40], [52]

m p p T

T

S

Hoặc một số công thức tương tự:

Công thức G.A Alêchxâyep: p m

p T

b T

S a

) ( ,

) 1 ( ,



 (1.17) Trong đó: S là sức mưa biểu thị mối quan hệ giữa cường độ mưa và tần suất

thiết kế; sức mưa Sp ở tần suất p tính theo công thức (1.18) sau

N B A

S p   lg

(1.18)

A, B, b là các hệ số vùng khí hậu, phụ thuộc vào từng vùng mưa

m là hệ số hình dạng cơn mưa, phụ thuộc vào từng vùng mưa

N là chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán (năm), N = 100/p với p là tần suất thiết kế tính theo %, (lgN - logarit cơ số 10 của N)

T là thời đoạn mưa tính toán, khi tính toán lưu lượng Qp lấy T =  +) Ở Ấn Độ thường dùng dạng, [29], [40]

m x p

T

T c

N K a



Trong đó: K, x, c, m là các hệ số vùng khí hậu, phụ thuộc vào từng vùng mưa;

N là chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán; T là thời đoạn mưa tính toán +) Ở Mỹ thường dùng dạng, [29], [34], [40], [50]

d T

Trong đó: C, m và d là các hệ số vùng khí hậu phụ thuộc vào vùng mưa và

chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán N; T là thời đoạn mưa tính toán +) Ở Nhật Bản: các dạng công thức thường dùng là, [59], [61]

Công thức Talbol:

b T

C a

) ( ,



Trong đó: C, b, m là các hệ số vùng khí hậu phụ thuộc vào vùng mưa và chu

kỳ lặp lại cơn mưa tính toán N; T là thời đoạn mưa tính toán

+) Ở Indonesia: thường dùng dạng công thức Talbol (1.21), [61]

+) Ở Malaysia: thường dùng dạng công thức, [61]

m k p

T

d T

N c a

) (

,



Trong đó: c, k, d, m là các hệ số vùng khí hậu phụ thuộc vào vùng mưa; N là

chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán; T là thời đoạn mưa tính toán +) Ở Hàn Quốc: thường dùng dạng công thức, [61]

m x p

T

T

N k

a ,  .

(1.26) Trong đó: k, x, m là các hệ số vùng khí hậu phụ thuộc vào vùng mưa; N là chu

kỳ lặp lại cơn mưa tính toán; T là thời đoạn mưa tính toán

+) Ở Việt Nam: đã có nhiều nghiên cứu để phù hợp với điều kiện khí hậu ở nước ta, các công thức sử dụng thường ở dạng công thức (1.15) hoặc (1.16)

./ Năm 1980, GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục đề xuất sử dụng công thức dạng (1.27) sau, [3], [31]: T p m

T

N B A

Với: aT,p là cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p

A, B là hệ số vùng khí hậu, phụ thuộc vào từng vùng mưa

m là hệ số hình dạng cơn mưa, phụ thuộc vào từng vùng mưa

N là chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán

T là thời đoạn mưa tính toán

Giáo sư đã xây dựng các hệ số A, B, m cho 18 trạm đại diện ở 18 vùng mưa trên toàn quốc Khi trạm cần tính không phải là trạm đại diện thì cường độ mưa trạm

cần tính được hiệu chỉnh theo công thức: 

p n

p n p T p T

H

H a a

aT,p , a*T,p là cường độ mưa tính toán ở trạm cần tính và trạm đại diện

Hn,p , H*n,p là lượng mưa ngày tính toán ở trạm cần tính và trạm đại diện trong cùng một vùng mưa

./ Năm 1973, TS Trần Hữu Uyển đề nghị sử dụng công thức dạng (1.28), [2], [3],

N b T

N B A a

) (

lg ,







(1.28) Với: aT,p là cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p

A, B, b, k là hệ số vùng khí hậu, phụ thuộc vào từng vùng mưa

m là hệ số hình dạng cơn mưa, phụ thuộc vào từng vùng mưa

N là chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán

T là thời đoạn mưa tính toán

Tác giả đã xác lập các giá trị A, B, b, k, m cho 34 thành phố trong cả nước, đến năm 1991 tác giả xác lập lại các giá trị A, B, b, k, m với số liệu đo mưa mới ./ Năm 1979, TS Trần Việt Liễn đề nghị sử dụng công thức dạng (1.29), [3], [12],

b T

N B A a

) (

lg ,





Với: aT,p là cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p

A, B, b là hệ số vùng khí hậu, phụ thuộc vào từng vùng mưa

m là hệ số hình dạng cơn mưa, phụ thuộc vào từng vùng mưa

N là chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán

T là thời đoạn mưa tính toán

Tác giả đã xác lập các giá trị A, B, b, m cho 47 trạm đo mưa trong cả nước ./ Công thức tính aT,p chung cho toàn miền Bắc Việt Nam của ĐH Xây Dựng Hà

) 12 (

lg 5 12 10

Với: aT,p là cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p

N là chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán

T là thời đoạn mưa tính toán

K1 là hệ số khí hậu, để chuyển trị số cường độ mưa tính toán chung

toàn miền Bắc về khu vực tính toán thiết kế,

28

% 1 1

S

K 

S1% vũ suất của vùng thiết kế ứng với tần suất 1%, tra bảng lập sẵn

28 là vũ suất trung bình của toàn miền Bắc ứng với tần suất 1%

./ Năm 1980, GS.TS Ngô Đình Tuấn, Trường Đại học Thủy Lợi, trong luận án tiến sĩ của mình đã đề xuất công thức dạng (1.31) như sau, [34]

m T p p

(1.31) Với: aT,p là cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p

amax,p là cường độ mưa giới hạn khi T 0, ở tần suất p

m là hệ số hình dạng cơn mưa, phụ thuộc vào từng vùng mưa

T là thời đoạn mưa tính toán

Tác giả đã xây dựng phương pháp luận xác định các thông số amax,p và hệ số hình dạng cơn mưa m trong công thức, đã xác lập giá trị các hệ số này cho một số trạm khí tượng ở nước ta như: trạm Láng, Sa Pa, Vinh, Lai Châu, Hà Giang, Đà Nẵng, Tân Sơn Nhất, Rạch Giá, Liên Khương, Bảo Lộc

+) Năm 2006, tác giả Lê Minh Nhật, Yasuto TACHIKAWA và Kaoru TAKARA [59]

đã sử dụng các công thức (1.21), (1.22), (1.23), (1.24) thường dùng ở Nhật Bản để tính cường độ mưa tính toán aT,p (thể hiện kết quả tính toán bằng đường cong quan hệ cường độ - thời gian - tần suất) cho 7 trạm khí tượng ở Việt Nam thuộc lưu vực sông Hồng và sông Thái Bình là các trạm Láng, Bắc Giang, Hải Dương, Nam Định, Ninh Bình, Thái Bình, Văn Lý với chuỗi số liệu đo mưa thực tế dài 30 năm, từ 1956 -

1985 Từ các dạng công thức (1.21), (1.22), (1.23), (1.24) thường dùng ở Nhật Bản tác giả Lê Minh Nhật trong luận án tiến sĩ của mình đã rút ra dạng công thức chung (1.32) như sau để tính cường độ mưa tính toán aT,p

m v p T

b T

C a

) ( ,





(1.32) Với: C, b, v, m là các hệ số vùng khí hậu phụ thuộc vào vùng mưa và

chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán N

T là thời đoạn mưa tính toán

+) Năm 2008, tại hội nghị Châu Á về mưa tổ chức ở Indonesia [61], tác giả Trần Thục và nnk, Viện Khoa học Khí tượng thủy văn và môi trường, đã sử dụng dạng công thức (1.20) thường dùng ở Mỹ (công thức Wenzel, 1982) để khảo sát, tính cường độ mưa tính toán aT,p (thể hiện kết quả bằng đường cong quan hệ cường độ - thời gian - tần suất) cho 4 trạm khí tượng ở Việt Nam là Phú Quốc, Nho Quan, Tuần Giáo, Tam Đảo với chuỗi số liệu đo mưa thực tế thu thập tại các trạm này dài 29 năm,

từ năm 1976 - 2004

- Nhận xét

+) Tất cả các công thức từ (1.15) đến (1.32) mặc dù thể hiện khác nhau, thêm vào hoặc bớt đi một vài hệ số hồi quy trong từng công thức, nhưng tựu chung chúng đều thuộc dạng công thức thực nghiệm tính cường độ mưa tính toán aT,p dựa vào đặc trưng sức mưa S và hệ số hình dạng cơn mưa m Theo đó, tử số là sức mưa biểu thị quan hệ tỷ lệ thuận của aT,p với chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán N, còn mẫu số biểu thị quan hệ tỷ lệ nghịch của aT,p với thời đoạn mưa tính toán T, bị triết giảm theo hàm

số mũ m Tuy nhiên, từng công thức sẽ phù hợp với đặc điểm chế độ mưa khác nhau

ở từng nước

+) Công thức thực nghiệm (1.14) thuộc dạng khác, dùng hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T và lượng mưa ngày tính toán Hn,p để tính cường độ mưa tính toán aT,p

1.1.4 Nghiên cứu, phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến tính toán lưu lượng lũ thiết

kế công trình thoát nước nhỏ trên đường

1.1.4.1 Khái quát chung về các nhân tố ảnh hưởng

+) Có thể phân các nhân tố ảnh hưởng đến dòng chảy lũ của lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường thành ba loại chính là

(i) Điều kiện khí hậu, mà cụ thể là mưa

(ii) Các yếu tố mặt đệm

(iii) Tác động của các hoạt động kinh tế - xã hội của con người

+) Trong điều kiện khí hậu ở nước ta thì mưa là nhân tố ảnh hưởng trực tiếp đến dòng chảy lũ của lưu vực nhỏ, các nhân tố khác như bốc hơi, được coi là ảnh hưởng không đáng kể vì đối với lưu vực nhỏ mưa lớn liên tục, lượng bốc hơi rất bé so với lượng mưa nên bỏ qua

+) Các yếu tố mặt đệm bao gồm: vị trí địa lý, đặc điểm địa hình, địa mạo, điều kiện địa chất, thổ nhưỡng, đặc điểm bề mặt, hình dạng lưu vực, Các yếu tố này ảnh hưởng tới hai khâu chính là: quyết định đến quá trình tập trung dòng chảy và lượng tổn thất Ngoài ra vị trí địa lý, đặc điểm địa hình ảnh hưởng đến điều kiện khí hậu thể hiện bằng các vùng, miền khí hậu khác khau trên cả nước Địa hình tác động đến mưa, đến dòng chảy lũ của lưu vực vừa trực tiếp, vừa gián tiếp

./ Trực tiếp: tạo ra lượng mưa lớn do đón gió, tạo ra lượng mưa bé do khuất gió ./ Gián tiếp: tập trung nước nhanh hay chậm do độ dốc lớn hay bé, mạng lưới sông suối hình nan quạt hay hình lông chim,

+) Hoạt động kinh tế - xã hội của con người ngày nay càng lớn, chúng có ảnh hưởng tiêu cực hoặc tích cực Tác động của các hoạt động này ảnh hưởng đến nhân tố khí hậu như hiện tượng biến đổi khí hậu, nước biển dâng, ảnh hưởng làm thay đổi các yếu tố mặt đệm lưu vực Như vậy, tác động của hoạt động kinh tế - xã hội của con người đến dòng chảy lũ của lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường là tác động gián tiếp, xét nó thông qua hai nhân tố là mưa và các nhân tố mặt đệm +) Theo mức độ ảnh hưởng giảm dần đến dòng chảy lũ của lưu vực công trình thoát nước nhỏ trên đường, có thể sắp xếp các nhân tố trên theo thứ tự: mưa  các yếu tố mặt đệm (địa hình)  hoạt động kinh tế xã hội của con người Ba nhân tố này thực ra không độc lập mà chúng có mối quan hệ ràng buộc, chế ước, tác động lẫn nhau, một yếu tố thay đổi sẽ dẫn đến sự thay đổi của các yếu tố khác ở mức độ khác nhau

1.1.4.2 Ảnh hưởng của nhân tố mưa

- Mưa là nguyên nhân sinh dòng chảy Mưa ở nước ta có tác dụng quyết định và duy nhất cung cấp nguồn dòng chảy của lưu vực nhỏ Mưa tác động đến lưu lượng dòng chảy lũ của lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường ở thông số cường

độ mưa, thời gian mưa, tổng lượng mưa và những đặc tính khác của mưa

- Quan hệ giữa mưa và dòng chảy ở nước ta khá chặt chẽ cả về không, thời gian và định lượng Có thể nói rằng ở đâu mưa nhiều thì ở đó dòng chảy phong phú, mùa mưa quyết định mùa dòng chảy, mùa lũ gắn liền với những tháng mùa mưa, mùa cạn gắn với những tháng mùa khô, các tháng mưa lớn thì dòng chảy cũng lớn Theo rất nhiều kết quả nghiên cứu, ở nước ta lượng mưa trong các tháng mùa mưa thường chiếm khoảng 80% lượng mưa cả năm, đồng thời lượng dòng chảy trong mùa lũ cũng chiếm khoảng 70% lượng dòng chảy cả năm [15], [25], [26], [29], [34], [38], [40] Kết quả của nhiều nghiên cứu, đặc biệt trong [34] đã chỉ ra rằng: đối với đặc điểm khí hậu và mặt đệm ở nước ta thì có thể nói rằng chu kỳ dòng chảy lũ là chu kỳ mưa trên lưu vực, và ta có thể dùng hệ số hiệu chỉnh đặc trưng mưa làm hệ số hiệu chỉnh dòng chảy lũ tương ứng, đồng thời tần suất mưa là tần suất dòng chảy lũ, đối với lưu vực nhỏ tính chất này càng khăng khít [34]

- Đối với lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta, tính chất của mưa quyết định tính chất của lũ, lượng mưa trong một trận mưa càng lớn, lượng dòng chảy lũ càng lớn, lũ càng ác liệt Cường độ mưa càng lớn thì lớp nước lũ trên bề mặt lưu vực càng lớn làm tốc độ tập trung nước càng nhanh, kết quả là cường suất lũ

càng lớn Phân phối mưa theo thời gian ảnh hưởng trực tiếp đến cường suất lũ và lưu lượng đỉnh lũ Mưa tập trung với cường độ lớn sẽ hình thành lũ lớn và ngược lại

1.1.4.3 Ảnh hưởng của các yếu tố mặt đệm

- Tuy không có được ảnh hưởng quyết định như nhân tố mưa nhưng các yếu tố mặt đệm có ảnh hưởng quan trọng tới lưu lượng lũ tính toán của lưu vực công trình thoát nước nhỏ trên đường Các yếu tố mặt đệm của lưu vực bao gồm: địa hình, địa mạo bề mặt lưu vực, địa chất thổ nhưỡng, hình dạng, diện tích lưu vực, lòng sông suối, cỏ cây, ao hồ, ảnh hưởng tới thời gian tập trung dòng chảy và lượng tổn thất

- Địa hình ảnh hưởng ở các mặt: ảnh hưởng đến chế độ mưa (cao độ của địa hình, hướng đón gió ẩm của sườn núi ảnh hưởng đến chế độ mưa, lượng mưa - điều này được chỉ ra trong những nghiên cứu ở chương 2), độ dốc của địa hình (độ dốc của sườn dốc lưu vực Jsd, độ dốc của lòng sông suối chính Jls) ảnh hưởng tới thông số thời gian tập trung nước  Địa hình càng dốc thì tốc độ tập trung nước v càng nhanh nên thời gian tập trung nước  càng nhỏ, lưu lượng lũ về càng lớn, cường suất lũ biến đổi càng mạnh

- Yếu tố địa mạo bề mặt lưu vực ảnh hưởng ở các mặt: ảnh hưởng đến lượng mưa bị tổn thất và ảnh hưởng tới thời gian tập trung nước  Các yếu tố địa mạo gồm

./ Lớp phủ bề mặt bằng vật liệu nhân tạo đối với lưu vực trong đô thị hay lớp phủ thực vật rừng, cỏ cây đối với lưu vực của đường ngoài đô thị

./ Ao, hồ, đầm lầy trên bề mặt lưu vực

./ Đặc trưng nhám bề mặt: nhám sườn dốc lưu vực và nhám lòng sông suối chính +) Lớp phủ bề mặt lưu vực, rừng, cỏ cây, ao hồ, đầm lầy ảnh hưởng đến lượng tổn thất và có tác dụng điều tiết nhất định

+) Đặc trưng nhám bề mặt lưu vực (độ nhám bề mặt sườn dốc lưu vực nsd, độ nhám lòng sông suối chính nls) ảnh hưởng tới thông số thời gian tập trung nước  Bề mặt lưu vực càng nhám thì tốc độ tập trung nước v càng nhỏ nên thời gian tập trung nước

 càng lớn, tốc độ lũ về chậm lại, cường suất lũ điều hòa hơn nên lưu lượng đỉnh lũ giảm đi

- Điều kiện địa chất thổ nhưỡng của lưu vực quyết định đến lượng tổn thất nước mưa

do thấm, đây là dạng tổn thất chính của lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường, do vậy ảnh hưởng đến chiều dầy dòng chảy lũ trên bề mặt lưu vực nên ảnh hưởng tới thời gian tập trung nước  của lưu vực