Bài giảng thủy văn I - Chương 4 doc

Định nghĩa: Dòng chảy năm là lượng nước chảy qua mặt cắt cửa ra của lưu vực trong thời gian một năm.. + Sai số S2 tính toán dcc = p2 kéo dài bố sung số liệu theo lưu vực tương tự phụ thu

CHƯƠNG IV

TÍNH TOÁN CÁC ĐẶC TRƯNG THỦY VĂN THIẾT KẾ

4.1 DÒNG CHẢY NĂM

4.1.1 Khái niệm chung

1 Những quy luật chung

Định nghĩa: Dòng chảy năm là lượng nước chảy qua mặt cắt cửa ra của lưu vực trong thời gian một năm

Để tiện lợi tính toán các đặc trưng dòng chảy thiết kế phục vụ cho xây dựng công trình Do đó từ liệt tài liệu thực đo trong tính toán phải sắp xếp lại theo năm thuỷ văn Năm thủy văn là năm bắt đầu vào đầu mùa lũ năm trước và kết thúc vào cuối mùa kiệt năm sau, hay nói cách khác năm thủy văn bắt đầu và kết thúc lấy vào lúc lượng trữ trong lưu vực đạt trị số nhỏ nhất

Các nội dung chính nghiên cứu dòng chảy năm:

+ Xác định lượng dòng chảy bình quân nhiều năm (d/c chuẩn )

+ Nghiên cứu sự thay đổi của d/c từ năm này qua năm khác

+ Nghiên cứu sự phân phối dòng chảy trong năm

2 Ý nghĩa của việc nghiên cứu dòng chảy năm:

Xác định tiềm năng nguồn nước của một con sông hay một hệ thống sông từ đó có

cơ sở qui hoạch tính toán khai thác sử dụng nguồn nước một cách hợp lí có hiệu quả cao nhất phục vụ cho các ngành kinh tế xã hội

3 Phương pháp nghiên cứu

a) Phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành

Cơ sở phương pháp dựa phương trình cân bằng nước viết cho mọi thời đoạn bất kì

y = x - z ± ∆u (4-1) b) Phương pháp tương tự thủy văn

4.1.2 Dòng chảy chuẩn (DCC)

Định nghĩa: DCC của một lưu vực là trị số trung bình nhiều năm đã tiến tới ổn định

1 Xác định lượng dcc khi có nhiều tài liệu

Để đánh giá mức độ sai khác của mẫu tài liệu tính toán người ta biểu diễn sai số dưới dạng tương đối và tính toán theo phần trăm

n

C n

Q Q

V

on Q

10

Qn v

C

σ (4-5) Bảng 4-1: Quan hệ giữa: CV ∼n∼σQn%

17

13

Ví dụ: Muốn đảm bảo cho sai số tính toánđòng chảy chuẩn không vượt quá ±5% với điều kiện CV = 0,25 thì phải có tài liệu đo đạc dài 25 năm

2 Xác định dòng chảy chuẩn khi có ít tài liệu

a) Kéo dài tài liệu theo quan hệ tương quan giữa Xnăm và Ynăm

b) Kéo dài tài liệu của lưu vực nghiên cứu theo lưu vực tương tự

+ Quan hệ tương quan đường thẳng đơn giản

tt

nc

M

M M

M

= (4-7) + Quan hệ tương quan đường cong: Kéo dài bổ sung số liệu theo phương pháp tương quan đồ giải rồi xác định Qon

+ Sai số (S2) tính toán dcc = p2 kéo dài bố sung số liệu theo lưu vực tương tự phụ thuộc vào S2 trị số bình quân của liệt tài liệu dòng chảy của lưu vực tương tự σ1và S2tương quan dòng chảy giữa hai trạm σ2 Theo lý thuyết S2 thì trị số tổng S2 tính dòng chảy chuẩn ỏ trạm nghiên cứu σ sẽ là:

n : là số năm quan trắc đồng thời giữa hai trạm

CV2 :là hệ số biến đổi dòng chảy trạm nghiên cứu trong n năm

γ : là hệ số tương quan

3 Phương pháp xác định DCC khi không có tài liệu

a) Xác định dòng chảy chuẩn theo lưu vực tương tự

+ Phương pháp mượn môđun dòng chảy chuẩn: Mnc = Mtt

Nếu có sai khác giữa hai lưu vực:

- Xo và Zo

ott ott

onc onc tt

nc

Z X

Z X kM M

f

f f Y X E Y Y

−

−+

−

=

1

))(

(

(4-10)

Trong đó: Eo lượng bốc hơi mặt nước,

f , tt f nc tỷ số giữa diện tích mặt hồ và diện tích lưu vực tt và nc + Phương pháp mượn hệ số dòng chảy năm bình quân

Ync = αtt.Xonc = Xnc

Xtt

Ytt

(mm) (4-11) b) Xác định dòng chảy chuẩn trên bản đồ môđun dòng chảy

Mo =

F

f m m

i i i n

2

1 1

++Σ

(l/s-km2) (4-12)Trong đó: mi, mi+1 trị số môđun dòng chảy của các đường đẳng trị thứ i và i+1 với diện tích khống chế cục bộ giữa hai đường đó fi

Chú ý: Đối với các lưu vực nhỏ có nhiều yếu tố cục bộ như: độ dốc, địa hình v.v dùng phương pháp này sẽ có sai số lớn

c) Dùng công thức kinh nghiệm để tính

- Coi X là lượng mưa năm đóng vai trò ảnh hưởng quyết định:

Y = aX - b = a(X - b/a) (4-13) Trong đó: b/a biểu thị tổn thất tối thiểu hàng năm,

a hệ số dòng chảy tính theo lượng mưa năm đã trừ đi lượng tổn thất tối thiểu,

b biểu thị tổn thất tối thiểu ban đầu

- Biểu thị qua tương quan hệ số dòng chảy năm

α =

X

Z Y

d

(4-16)

Trong đó: α =1 ⇒ d = 0 và α = 0 ⇒ d = 4,8

Nói cách khác 4,8 là trị số hụt bão hòa tối đa ở vùng ta xét, do đó công thức viết dưới dạng chung:

4.1.3 Sự thay đổi dòng chảy hàng năm

Xác định sự thay đổi dòng chảy hàng năm biểu thị bởi hai hệ số CV và CS

1 Xác định Cv và Cs khi có nhiều tài liệu

a) Phương pháp mômen

- Tính:

1

)1

1

−

−Σ

)3(

)1(

v i n

S

C n

k C

−

−Σ

= (4-20) Sai số quân phương tương đối của CV:

εCs = ± 100 6(1 6C v2 5C v4)

n

Cs + + % (4-22) b) Phương pháp thích hợp tối đa

- Xác định Cv thông qua trị số λ

- CS xác dịnh theo công thức: CS = mCV, với m =1÷6 (xem phụ lục giáo trình TV)

2 Xác định Cv của dòng chảy năm khi có ít và không có tài liệu

a) Khi có ít tài liệu: Tiến hành theo 2 cách:

- Cách 1: Kéo dài tài liệu theo lưu vực tươngû tự ⇒ Tính CV Tính theo cách này CVnc tính ra thiên bé so với thực tế

- Cách 2 : Xác định Cv bằng nhiều công thức khác

Theo đề nghị của K-M:

)(1

tt

n tt

n nc N

nc

σ

σγ

σ

σ (4-24)

Trong đó:σnc n ,σnc N Sai số quân phương của lưu vực nghiên cứu chưa và đã kéo dài,

γ Hệ số tương quan giữa hai lưu vực,

σtt n,σtt NSai số quân phương của lưu vực tương tự trong n ,N năm quan trắc

ON

N nc N

Vnc Q

C = σ (4-25)

Phương pháp K-M được dùng trong điều kiện hệ số tương quan γ ≥ ± 0,8 Sai số của

CV đã được kéo dài tính theo công thức:

2

n N

n N

N

Cvnc

γσ

C

tt

nc N Vtt

+ Loại1: Coi hệ số biến đổi CV = f(FLV), tức lấy FLV làm yếu tố chủ đạo

Trong đó: f0 diện tích ao hồ tính bằng % so với diện tích lưu vực

+ Loại 2: Coi mưa đóng vai trò chủ đạo ảnh hưởng đến CV

4.1.4 Phân phối dòng chảy trong năm

Các phương pháp tính phân phối dòng chảy năm

- Phân phối dòng chảy theo quá trình thời gian (thời đoạn tháng hoặc tuần)

- Phân phối dòng chảy theo đường duy trì lưu lượng bình quân ngày

- Phân phối dòng chảy theo các đặc trưng thống kê

1 Phân phối dòng chảy theo quá trình thời gian

Chú ý: Phân phối dòng chảy tiến hành theo năm thủy văn thống nhất cho tất cả các

năm của chuổi quan trắc và lấy tròn đến tháng

0

α

Mnc

Mtt Hình 4-1 Quan hệ Mtt∼Mnc

Ở nước ta trong một năm dòng chảy phân ra làm hai mùa rỏ rệt mùa mưa và mùa khô, để phân biệt sự khác nhau giữa các mùa ta dựa vào chỉ tiêu của tổng cục Khí tượng -Thủy văn và trường đại học Thủy lợi Hà nội coi mùa lũ là các tháng liên tục có lượng nước Wtháng ≥ 1/12Wnăm (Qtháng ≥ Qbqnăm) với tần suất xuất hiện tháng ≥ 50%

a) Phương pháp phân phối dòng chảy theo năm điển hình

+ Điều kiện :

- Khi liệt tài liệu không ít hơn 15 ÷ 20 năm, trong đó bao gồm đầy đủ các nhóm năm nhiều nước, ít nước và nước trung bình

- Trong liệt tài liệu đó phải chọn được năm điển hình thỏa mãn yêu cầu sau:

∗ Dòng chảy năm điển hình gần bằng dòng chảy năm thiết kế (Wnđh ≈ Wnp)

∗ Dòng chảy mùa giới hạn gần bằng dòng chảy mùa thiết kế (Wmgh ≈ Wmp)

+ Trình tự các bước tính toán:

- Tính tổng lượng dòng chảy năm và mùa ứng với tần suất thiết kế: Wnp, Wmp

- Dựa vào liệt số liệu thực đo xác định Wnđh, Wmgh thỏa mãn các điều kiện trên

- Tính hệ số hiệu chỉnh:

∗ Đối các tháng thuộc mùa giới hạn:

K1= Wmp/Wmgh (4-34) ∗ Đối các tháng còn lại trong năm:

K2 = (Wnp -Wmp)/(Wnđh -Wmgh) (4-35)

- Tính phân phối dòng chảy các tháng trong năm:

∗ Các tháng trong mùa giới hạn:

Qpj = K1Qđhj (4-36) ∗ Các tháng còn lại trong năm:

Qpj = K2Qđhj (4-37) Trong đó: j là chỉ số tháng trong năm

Chú ý: Trong mùa giới hạn có thể khống chế thêm tháng chuyển tiếp mùa, khi đó chọn năm điển hình, chọn các hệ số hiệu chỉnh phải thêm điều kiện này

b) Phương pháp tổ hợp thời đoạn (Phương pháp Anđrâyanốp)

+ Điều kiện:

- Khi tài liệu thủy văn không ít hơn 10 năm,

- Không chọn được năm điển hình,

- Trong chuỗi tài liệu bao gồm đầy đủ các nhóm năm: nhiều, trung bình và ít nước + Trình tự các bước tính toán:

- Tính lượng dòng chảy năm (Wnp), lượng dòng chảy mùa giới hạn (Wmghp)

- Tính lượng dòng chảy mùa còn lại trong năm:

Wmp = Wnp - Wmghp (4-38)

- Sắp xếp lượng dòng chảy riêng từng mùa (Mùa giới hạn, mùa không giới hạn) ra thành các nhóm :nhiều nước, trung bình, ít nước giảm dần (cột) và dòng chảy các tháng trong mùa cũng sắp xếp theo thứ tự giảm dần (hàng) và ghi tên các tháng tương ứng bên cạnh

- Tính tỷ số phân phối bình quân của từng cột và gắn tỷ số đó cho tháng nào có mặt

nhiều nhất trong cột đó

Tỷ số phân phối bình quân tính theo công thức:

100%

1 1

1

j n

i m

j

i n

i j

Q

Q k

=

=

=ΣΣ

Σ

= (4-39)

Trong đó: i = 1,2 n là số năm của mỗi nhóm (cột)

j = 1,2 m là số tháng trong mùa (hàng)

- Sắp xếp lại các tỷ số đó theo thứ tự các tháng đã được gắn theo trình tự thời gian

- Tính phân phối dòng chảy từng tháng trong năm theo các tần suất thiết kế bằng

cách nhân các tỷ số phân phối với các tổng lượng bình quân của mùa tương ứng

∗ Những tháng trong mùa giới hạn:

Ở đây: Dấu hiệu (2) chỉ mùa giới hạn và dấu hiệu (3) chỉ mùa không giới hạn

Chú ý: Khi tài liệu quan trắc quá ngắn (n < 10 năm) không thể chia chuỗi năm thành

ba nhóm năm được thì gộp chung một nhóm để tính toán

2 Phân phối dòng chảy theo đường tần suất lưu lượng bình quân ngày

a) Ý nghĩa:

- Đường tần suất lưu lượng bình quân ngày cho ta biết thời gian duy trì lưu lượng ≥

một lưu lượng cho trước, nó không cho ta biết thời gian xuất hiện lưu lượng của nó,

không cho biết quá trình phân phối dòng chảy trong năm

- Ý nghĩa thực tế: Đường tần suất lưu lượng bình quân ngày thường được dùng trong

tính toán thủy năng và giao thông thủy

- Ý nghĩa tính toán thủy văn:Thông qua đường tần suất lưu lượng bình quân ngày

cho biết được mức độ điều tiết của lưu vực

b) Cách xây dựng đường tần suất lưu lượng bình quân ngày:

- Dạng tổng quát:

Một năm có 365 ngày vậy trong n năm có 365×n giá trị lưu lượng bình quân ngày

Để đơn giản và giảm bớt khối lượng ta phân cấp lưu lượng trong tính toán

Bảng 4-2: Phân cấp lưu lượng lập bảng xây dựng đường tần suất lưu lượng bình

quân ngày dạng tổng quát Cấp lưu lượng (Q) Q Số ngày xuất hiện Số ngày lũy tích P%

2 1

n

t

t +

100%

- Dạng bình quân

Một năm xây dựng một đường tần suất lưu lượng bình quân ngày, n năm xây dựng n đường tần suất lưu lượng bình quân ngày và sau đó xác định đường tần suất lưu lượng bình quân ngày dạng bình quân

Bảng 4-3: Lập bảng xây dựng đường tần suất lưu lượng bình quân ngày dạng

bình quân

Giá trị lưu lượng bình quân ngày ứng với thời gian duy trì Năm Qmax

Qmin (m3/s)

4.2 DÒNG CHẢY KIỆT 4.2.1 Khái niệm dòng chảy kiệt Dòng chảy kiệt là dòng chảy nhỏ nhất trong sông chủ yếu do lượng nước ngầm trong lưu vực cung cấp do vậy lưu lượng kiệt ít thay đổi theo thời gian Dòng chảy kiệt là một đặc trưng quan trọng cần xác định trong tính toán thủy văn Các đặc trưng kiệt cần xác định đó là: Lưu lượng kiệt ngày thiết kế (Qnkp), Lưu lượng kiệt tháng thiết kế (Qtkp) 4.2.2 Nhân tố ảnh hưởng dòng chảy kiệt 1 Nhân tố khí hậu - Phụ thuộc tổng lượng mưa trong năm và sự phân bố lượng mưa đó theo thời gian

- Phụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm, hướng gió thịnh hành trên lưu vực 2 Nhân tố mặt đệm - Cấu tạo các lớp địa chất, như cấp phối hạt, độ rổng.v v trên bề mặt lưu vực - Độ dốc địa hình, cấu tạo mạng lưới sông, độ sâu của sông suối, hình dạng mạng lưới sông.v.v

- Lớp phủ trên bề mặt lưu vực: thảm thực vật, độ che phủ - Hồ ao và vị trí hồ ao trên lưu vực ∗Qmax ∗Qmin

200

100

150

50

0

20 40 60 80 100 P% Q(m3/s) ∗ ∗ ∗ ∗ ∗∗∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ 1) Dạng đường tổng quát ∗Qmax ∗Qmin

200

100

150

50

0

20 40 60 80 100 P% Q(m3/s)

2) Dạng đường bình quân Hình 4-2: Dạng đường duy trì lưu lượng bình quân ngày

3 Hoạt động kinh tế của con người

- Hoạt động tích cực:

Các biện pháp thủy lợi, lâm nghiệp, nông nghiệp v.v làm tăng độ ẩm của lưu vực, giảm lượng bốc hơi v.v làm tăng lưu lượng dòng chảy kiệt

- Hoạt động tiêu cực :

Khai thác lâm nghiệp bừa bãi, canh tác du canh du cư lạc hậu, khai thác khoáng sản, đâït đá tự do không quy hoạch gây hiện tượng xói lỡ trong mùa lũî, tăng lượng bốc hơi trong mùa kiệt, làm tăng hiện tượng sa mạc hóa lưu vực làm lượng nước cạn kiệt Chính

vì vậy mùa lũ xảy khá phức tạp, dòng chảy tập trung nhanh, mùa kiệt kéo dài gây khô hạn khốc liệt thiếu nước nghiêm trọng

4.2.3 Phương pháp xác định lưu lượng kiệt thiết kế

Trong tính toán thiết kế người ta thường xác định lưu lượng kiệt ngày (Qnkp) lưu lượng kiệt tháng (Qtkp) ứng tần suất thiết kế tùy theo các yêu cầu bài toán cụ thể

1 Trong trường hợp có nhiều số liệu quan trắc thủy văn

Kiểm tra chuổi tài liệu thu thập được bằng cách xây dựng quan hệ tương quan đường thẳng giữa Qnkp∼ Qtkp (thường quan hệ tương quan này rất chặt chẻ), dựa quan hệ này loại trừ các sai sót do thu thập số liệu gây nên đểì sửa chữa chỉnh biên

Dựa vào chuổi số liệu (đã chỉnh biên) , tính toán xác định Qnkp, Qtkp

2 Khi có ít số liệu quan trắc dòng chảy

- Kéo dài số liệu theo lưu vực tương tự thủy văn rồi tính toán như phần (1)

- Phương pháp tỉ lệ đơn giản của Vlê-Bêđép gồm các bước sau:

∗ Chọn lưu vực tương tự, tính tỉ số k và khẳng định tiêu chuẩn tương tự

∗ Dựa vào số liệu lưu vực tương tự tính toán xác định Qkptt

∗ Tính tỉ số giữa Qkptt và Qknc của năm có số liệu quan trắc song song (của lưu vực tương tự và lưu vực nghiên cứu)

∗ Dùng tỉ số này nhân với lưu lượng kiệt thực đo của lưu vực nghiên cứu ta có lưu lượng kiết thiết kế (Qkp)

Ví dụ: Tính Qtkp của lưu vực A ứug với tần suất thiết kế p = 95% trong điều kiện chỉ có một năm quan trắc 2001÷2002

Chọn lưu vực B có nhiều số liệu quan trắc làm lưu vực tương tự và tiến hành tính toán theo các bước sau:

Tính chỉ số tương tự (k) trong thời gian quan trắc song song (mùa kiệt 2001÷2002) Bảng 4-4 : Tính chỉ số tương tự

Theo kết quả tính toán bảng 4-4 chỉ số tương tự k gần bằng nhau chúng ta đi đến kết luận hai lưu vực A & B tương tự nhau

Dựa vào liệt tài liệu của lưu vực B tính các trị số đặc trưng của mẫu: Q0, CV, CS xác định lưu lượng tháng kiệt ứng với p = 95%, Qp=95%= 0,125 m3/s

a) Lưu lượng kiệt nhất của lưu vực B trong năm 2001÷2002 là 0,25 m3/s ,tính tỉ số:

25,0

125,0

02 01

b) Có k1 tính lưu lượng kiệt thiết kế tại lưu vực A:

QA95% = QKA95%.k1= 0,60.0,5 = 0,30 m3/s

(Trị số 0,30 m3/s là lưu lượng kiệt của lưu vực A ứng với tần suất thiết kế 95%) 3 Xác định lưu lượng kiệt khi không có số liệu quan trắc dòng chảy

- Mượn mô đun kiệt của lưu vực tương tự để tính toán

- Dùng bản đồ đẳng trị mô đun dòng chảy kiệt để tính trị số lưu lượng kiệt thiết kế

- Dùng một số công thức kinh nghiệm để tính toán:

Xin giới thiệu công thức kinh nghiệm của Cục thủy văn VN:

m

p

M = (4-42) Trong đó:

- X plượng mưa năm thiết kế (mm),

- m là số mũ biểu thị mức độ ảnh hưởng của mưa đến dòng chảy kiệt,

- A là thông số địa lý

Các thông sốA và m đã được phân vùng như sau:

- Vùng 1: A = 0,0000014, m = 1,98

- Vùng 2: A = 0,0000022, m = 2,02

- Vùng 3: A = 0,0000017, m = 1,80

4.3 DÒNG CHẢY LŨ

Dòng chảy lũ là dòng chảy lớn nhất trong sông xảy ra vào mùa lũ, ở Việt Nam mùa lũ chỉ kéo dài 3÷4 tháng nhưng lượng dòng chảy chiếm 70÷90% tổng lượng dòng chảy năm, mặt khác khả năng thoát lũ các dòng sông hạ lưu có hạn nên gây các hiện tượng lũ lụt phá hoại các công trình xây dựng ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống kinh tế của con người Trong tính toán dòng chảy lũ người ta chia ra các trường hợp cụ thể: có đầy đủ tài liệu, ít tài liệu và không coú tài liệu đo đạc thủy văn

Các đặc trưng chính dòng chảy lũ cần xác định là:

- Lưu lượng đỉnh lũ thiết kế: Qmaxp (m3/s)

- Tổng lượng lũ thiết kế: Wmaxp (m3)

- Đường quá trình lũ thiết kê:ú (Q∼t)maxp.

0

WmaxQ(m3)

4.3.1 Chọn tần suất thiết kế lũ (P tk )

1 Tần suất thiết kế lũ

Tần suất thiết kế lũ là xác suất xuất hiện những trị số không vượt quá tần suất qui định trong thời gian sử dụng công trình

Ví dụ :Tần suất thiết kế phòng lũ cho một thành phố là 1%, có nghĩa là thành phố đó có khả năng chống được những trận lũ trong vòng 100 năm xaøy ra một lần

Vấn đề chọn tần suất thiết kế lũ dựa trên cơ sở:

∗ Chọn tần suất đảm bảo an toàn cho công trình thủy công (Pct): tùy thuộc vào qui

mô, kích thước, mức độ quan trọng.v.v để định ra cấp công trình chọn Pct

∗ Phòng lũ cho vùng hạ lưu (Phl): dựa vào yêu cầu phòng lũ cho vùng hạ lưu bao gồm các mặt về dân cư, kinh tế, giao thông, hầm mỏ.v.v để chọn Phl

Nếu Pct < Phl chọn Pct = Ptk

Nếu Pct > Phl chọn Phl = Ptk

Theo tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam (TCXDVN) 285: 2000, đối với thiết kế các công trình thủy lợi thể hiện ở bảng (4-5)

Chú ý: Tần suất nhỏ áp dụng cho các công trình có dạng lũ phức tạp thường xuất

hiện ở miền núi, trung du Tần suất lớn áp dụng cho các công trình có dạng lũ ổn định thường xuất hiện ở vùng đồng bằng

Wmax = . max

∆ (4-45)

Trong đó: a là hệ số phụ thuộc vào tình hình nghiên cứu thủy văn của lưu vực:

a = 0,7 đối với lưu vực được nghiên cứu đầy đủ,

a = 1,5 đối với lưu vực được ít nghiên cứu

Ep sai số quân phương của tung độ đường tần suất phụ thuộc vào CV tra bảng hay biểu đồ để xác định

N số năm xuất hiện lại của lũ lịch sử trong lưu vực

Giá trị ∆Qmaxp, ∆Wmaxp tính theo công thức (4-44), (4-45) không được vượt quá 20% Qmaxp, Wmaxp Nếu lớn hơn thì phải tính lại hệ số hiệu chỉnh

Bảng 4-5 : Lưu lượng, mực nước lớn nhất thiết kế và kiểm tra công trình thủy

∗ Cụm đầu mối các loại (trừ công trình đầu mối vùng

triều);Hệ thống dẫn- thoát nước và các công trình liên

quan không thuộc hệ thống tưới tiêu nông nghiệp;

Công trình dẫn - tháo nước qua sông suối của hệ thống

tưới tiêu nông nghiệp

Tần suất thiết kế P(%)

(tương ứng với chu kỳ lặp lại N năm)

Tần suất kiểm tra P(%)

(tương ứng với chu kỳ lặp lại N năm)

∗ Công trình đầu mối vùng triều; Công trình và hệ

thống dẫn - thoát liên quan trong hệ thống tưới tiêu

nông nghiệp (trừ công trình dẫn - tháo nước qua sông

suối đã nói ở điểm1)

Tần suất thiết kế P(%)

(tương ứng với chu kỳ lặp lại N năm)

0,1÷0,2 1000÷500 0,02÷0,04 5000÷2500

0,2

500

0,5 200 0,1

1000

0,5 200

1

100 0,2

Xử lý lũ lịch sử làm tăng độ ổn định của đường tần suất ở phần tần suất bé, nâng cao độ chính xác liệt tài liệu thu thập được Để đưa lũ lịch sử vào liệt tài liệu tính toán cần xác định thời kỳ xuất hiện lại N

a) Xác định thời kì xuất hiện lại N

Đây là một vấn đề khó và ít chính xác, thường người ta dựa vào những con lũ lịch sử đã xuất hiện để xác định Sau đây là một số ví dụ xác định N

Ví dụ1: Trên sông A năm 1901 xuất hiện một trận lũ lịch sử, đến năm 1999 lại xuất hiện một trận lũ tương tự, như vậy trong vòng 98 năm (1901 ÷ 1999) đã 2 lần xuất hiện lũ lịch sử tương tự nhau Thời kỳ xuất hiện lại N của con lũ lịch sử đó là:

Ví dụ2: Trên sông B năm 1912 xuất hiện một trận lũ lịch cho đến năm 2001 Vậy

thời kỳ xuất hiện lại N có thể là:

N = 2001 - 1912 = 89 năm

Với các ví dụ đã nêu ở trên vấn đề xác định N mang tính gần đúng, nhưng thời gian này dài hơn thời gian quan trắc liên tục nên nó làm tăng độ chính xác cho kết quả tính

b) Tính tần suất kinh nghiệm lũ :

Đối với các trận lũ lịch sử: p =

1+

n

m

100% (4-47) Trong đó: M là số thứ tự và N là thời kì xuất hiện lại của lũ lịch sử

c) Tính các tham số thống kê của mẫu tính toán:

Ở đây chia làm 2 trường hợp:

+ Lũ lịch sử nằm ngoài liệt số liệu quan trắc n năm

X

1 1

i j

=

a n

i j

a

j

a n

a N X

N

X

1 1

−Σ

i j

a

j

a n

a N K

N

Ở đây: j = 1 a giá trị số trận lũ lịch sử

i = 1 n giá trị các trận lũ trong thời kì quan trắc

1 Xác định lưu lượng đỉnh lũ ứng với tần suất thiết kế Qmaxp (m3/s)

a) Chọn mẫu số liệu tính toán

+ Yêu cầu chọn mẫu:

- Mẫu phải mang tính đại biểu cho một trạm đo, một con sông, một lưu vực

- Các trị số của mẫu phải mang tính đồng nhất tức là cùng một nguyên nhân hình thành, lũ Việt Nam chủ yếu do mưa sinh ra

- Các trị số trong mẫu phải độc lập với nhau để sử dụng phương pháp thống kê tính toán

+ Phương pháp chọn mẫu tính toán hiện nay có 3 cách như sau:

- Chọn một năm một giá trị Qmax để tính toán, chọn theo cách này trong trường hợp có liệt số liệu dài dể đáp ứng các yêu cầu nêu trên

Q(m3/s)

lũ lịch sử

b)

- Chọn một năm nhiều giá trị Qmax để tính toán Theo số liệu thống kê thì một con sông ở nước ta một mùa lũ có thể xuất hiện 9 ÷11 giá trị Qmax, do vậy trong trường hợp số năm quan trắc không dài lắm người ta có thể chọn nhiều giá trị Qmax để tính toán Phương pháp này được thể hiện như sau:

• Chọn tất cả các giá trị Qmax ≥ Qmaxgh [Qmaxgh = (3 ÷ 4) Q o ] để tính toán, trong trường hợp này cần chú ý đến tính đại biểu của mẫu vì có năm lũ lớn xuất hiện nhiều giá trị Qmax ≥ Qmaxgh, nhưng cũng có nhiều năm lũ nhỏ Qmax < Qmaxgh

• Mỗi năm chọn 2, 3, 4 giá trị Qmax, theo kinh nghiệm mỗi năm nên chọn 3 giá trị

Qmax (lấy từ trên xuống) để tính toán, khối lượng vừa phải, điểm kinh nghiệm phân bố khá phù hợp với đường tầìn suất lý luận

Chú ý: Khi số giá trị Qmax trong liệt số liệu tính toán nhiều hơn n năm quan trắc thì tần suất tính toán ra là tần suất lần phải đổi lại tần suất năm thiết kế như sau:

b) Xác định Qmaxp

Sau khi chọn được liệt số liệu tính toán tiến hành xây dựng đường tần suất có P tk xác định Qmaxp (các bước tính toán đã trình bày ở chương III)

2 Xác định tổng lượng lũ thiết kế Wmaxp (m 3 ).

Đây là một đặc trưng cần thiết cho việc thiết kế và khai thác nguồn tài nguyên nước,

Wmaxp đóng một vai trò quyết định đến việc hình thành đỉnh lũ ảnh hưởng việc xác định qui mô kích thước của công trình Để xác định Wmaxp gồm các bước sau:

a) Chia đường quá trình lũ thiết kế ra các thời đoạn tính toán khác nhau:1,2, ,n ngày; sau đó tính lưu lượng bình quân từng ngày một

b) Công thức tính: i

ngc

ngđ i

W

=Σ

=86.400max (4-53)

Ở đây: Qi lưu lượng bình quân ngày xác định dựa vào đường quá trình lũ thiết kế

i = ngđ ÷ngc:(ngày đầu đến ngày cuối trận lũ tính toán)

3 Đường quá trình lũ thiết kế (Q ∼ t)maxp

Muốn có đường quá trình lũ thiết kế, chúng ta dựa vào liệt số liệu quan trắc dược chọn một đường quá trình lũ điển hình để thu phóng

a) Chọn đường quá trình lũ điển hình đảm bảo các nguyên tắc sau:

∗ Chọn đường quá trình lũ đã xuất hiện trong thực tế đảm bảo khi thu phóng có giá trị đỉnh lũ bằng Qmaxp, phần diện tích khống chế dưới đường quá trình lũ bằng Wmaxp

∗ Dạng đường quá trình lũ điển hình là dạng bất lợi đối với công trình thiết kế

∗ Dạng lũ xuất hiện đúng vào lúc bất lợi

b) Phương pháp thu phóng đường quá trình lũ điển hình trở thành đường quá trình lũ thiết kế

Phương pháp 1: Phương pháp thu

phóng cùng tỉ số:

+ Nguyên tắc của phương pháp: Sau

khi thu phóng xong đường quá trình lũ

thiết kế đảm bảo hai giá trị Qmaxp & Wmaxp

không thay đổi

+ Tính các hệ số thu phóng:

- Co giản tung độ đường quá trình lũ

- Co giản hoành độ đường quá trình

Ở đây Tp,Tđh là thời gian của lũ thiết kế và lũ điển hình

Giả sử sau khi thu phóng đường quá trình lũ điển hình trở thành đường quá trình lũ thiết kế ta có thể xác định các thành phần như sau:

Đối với lũ thiết kế: TP =

f Q

W

p p

W

đh dh

max max

đh p

đh p

đh dh

p p

đh

P

k

k Q

Q W

W f Q

W f Q

W T

max max max

max max

max max

max

:

2:

2

(4-58)

Khi: kW > kQ ⇒ TP > Tđh , đường quá trình lũ điển hình được phóng to lên

kW < kQ ⇒ TP < Tđh , đường quá trình lũ điển hình được thu nhỏ lại

+ Trình tự các bước như sau:

- Dựa vào tần suất thiết kế xác định được các giá trị Qmaxp , Wmaxp

- Dựa vào liệt số liệu thực đo chọn Qmaxđh , Wmaxđh

- Tính các hệ số : kQ , kW và kT

- Chia đường quá trình lũ điển hình ra các thời đoạn tính toán khác nhau:Tđh1 , Tđh2 , , Tđhn tương ứng ta có: Qđh1 , Qđh2 , , Qđhn

Phương pháp 2: Phương pháp thu

phóng cùng tần suâtú

+ Nguyên tắc của phương pháp:

- Để khống chế phần diện tích dưới

đường quá trình lũ thiết kế bằng

Wmaxp, người ta chia đường quá trình

lũ điển hình ra các thời đoạn khác

nhau: W1ngày max, W3ngày max

- Phương pháp thu phóng xem thời gian lũ thiết kế bằng thời gian lũ điển hình chỉ thu phóng tung độ đường quá trình lũ bởi các hệ số thu phóng khác nhau

+ Các bước thu phóng:

- Để đảm bảo tung độ lớn nhất đường quá trình lũ thiết kế bằng giá trị Qmaxp, thu phóng đỉnh lũ theo hệ số:

đh

p Q

Q

Q k

1 max 1

đh

p W

max

1 max 3

max

đh đh

p p

W W

W W

1 2 ( max

) 1 2 ( max )

1 2 ( max

− +

− +

−

−

i đh i

đh

i p i

p

W W

W W

(4-64) Thu phóng cho đến khi nào hết đường quá trình lũ, ở đây i= 1,2, ,n

Phương pháp này đã chú ý khống chế các thời đoạn có lượng lũ lớn (1 ngày, 3 ngày

) Nếu các hệ số thu phóng kđ, kW1 và kW(2i+1) khác nhau thì dạng đường quá trình lũ

sau khi đã thu phóng sẽ bị biến dạng nhiều so với dạng lũ xaùy ra trong thực tế Do vậy

khi vẽ đường quá trình lũ bình quân có tung độ max bằng giá trị Qmaxp cần phải xử lí để

đường quá trình thành một đường cong trơn đảm bảo cho tổng lượng lũ trong từng thời

đoạn không thay đổi

QP(m3/s)

Qmaxđh

Qmaxp

t

0

t

0

1ng

3ng

5ngHình 4-6 Phương pháp thu phóng cùng tần suất Tổng lượng lũ điển hình1 ngày max Tổng lượng lũ điển hình 3ngày max

4.3.3 Xác định dòng chảy lũ thiết kế khi không có tài liệu quan trắc dòng chảy

Các lưu vực không có tài liệu quan trắc dòng chảy thường là các lưu vực vừa và nhỏ

Ở Việt Nam để phân chia ranh giới giữa lưu vực vừa và nhỏ thống nhất trong tính toán qui định 100 km2 Do yêu cầu phát triển kinh tế địa phương nên cần xây dựng nhiều công trình dân dụng, giao thông và thủy lợi trên các lưu vực vừa và nhỏ Bởi vậy, lý thuyết về tính toán dòng chảy lũ khi không có tài liệu quan trắc dòng chảy đóng vai trò quan trọng và chiếm một phần khá lớn trong nghiên cứu dòng chảy lũ

Đối với các công trình nhỏ, trong 3 đặc trưng của dòng chảy lũ thiết kế thì trị số

Qmaxp chiếm một vị trí quan trọng nhất, vì ở các công trình nhỏ do tác dụng điều tiết lũ rất ít hoặc không có, nên thực tế không cần xét đến tổng lượng lũ và đường quá trình lũ

Vì vậy trong trường hợp không có tài liệu chỉ chủ yếu tập trung nghiên cứu để xác định đỉnh lũ thiết kế

Khi không có tài liệu, xu hướng chung hiện nay trong tính toán thủy văn là sử dụng các mô hình toán thủy văn hoặc thường dùng các công thức kinh nghiệm và bán kinh nghiệm để tính Qmaxp Đây là một vấn đề phức tạp cho nên trong phần này sẽ trình bày một số khái niệm cơ bản về quá trình hình thành dòng chảy lũ để có cơ sở hiểu và sử dụng các công thức tính Qmaxp cho phù hợp điều kiện cụ thể

1 Các giai đoạn hình thành dòng chảy lũ

a) Giai đoạn một - giai đoạn tổn thất hoàn toàn: là giai đoạn toàn bộ lượng mưa rơi xuống quyện vào cây cỏ, lấp đầy các chỗ trũng, hồ ao, đầm lầy và thấm xuống đất b) Giai đoạn hai - giai đoạn nước dâng: là giai đoạn khi lượng mưa sinh ra trên lưu vực lớn hơn tổng lượng tổn thất thì lưu lượng (Q) và mực nước (H) tại cửa ra của lưu vực (hay tuyến đo đạc) dâng lên đạt giá trị Qmax và Hmax Nếu quá trình cấp nước vẫn duy trì thì Qmax và Hmax kéo dài một thời gian người ta gọi Qmax và Hmax ổn định

c) Giai đoạn ba - giai đoạn nước rút: khi quá trình cấp nước (lượng mưa) trên lưu vực giảm thì Qmax và Hmax tại cửa ra giảm xuống giá trị Qbt và Hbt

Để giải thích và hiểu đầy đủ các giai đoạn hình thành dòng chảy lũ trên bề mặt lưu vực chúng ta dựa vào công thức căn nguyên dòng chảy (CtCNDC)

CtCNDC là công thức biểu thị lưu lượng đỉnh lũ bằng tổng lượng giai nhập của các lưu lượng nước thành phần trong quá trình hình thành của chúng trên phần diện tích lưu vực bộ phận khác nhau và chảy tụ lại ở tuyến cửa ra

CtCNDC có dạng tổng quát: Qt = ∫t t ∂∂ dt

t

F h

0

(4-65) Để thành lập công thức (4-65) Chúng ta dựa trên cơ sở lập luận như sau:

- Giả thiết lượng mưa và thấm phân bố đều trên toàn bộ diện tích lưu vực

- Chia toàn bộ diện tích lưu vực bằng một hệ thống đường chảy cùng thời gian (đường đẳng thời)

- Thời gian tập trung nước giữa các đường đẳng thời kế tiếp nhau lấy bằng 1 đơn vị thời gian cố định, tức là thời gian cần thiết để giọt nước ở xa nhất kịp chảy về đến tuyến cửa ra gọi là thời gian tập trung dòng chảy, kí hiệu là: τ

-Tương ứng với các đường đẳng thời 1, 2, 3, có các phần diện tích bộ phận f1, f2, f3 -Dựa vào đường quá trình mưa hiệu quả xác định biểu đồ cấp nước (thời gian cấp nước kí hiệu la:T)

Tùy thuộc vào thời gian chảy truyền τ trên lưu vực và thời gian cấp nướcT, trong thực tế sẽ xảy ra 3 trường hợp khác nhau đó là: τ > T, τ < T, τ = T

Sau đây sẽ thành lập công thức công thức (4-65) trong trường hợp τ < T(cho τ = 4 đơn vị thời gian, T= 5 đơn vị thời gian) ta thấy:

Sau 1 đơn vị thời gian lưu lượng thu được tại cửa ra là: Q1 = h1.f1

Sau 2 đơn vị thời gian lưu lượng thu được tại cửa ra là: Q2 = h1.f2 + h2.f1

Trong thực tế quá trình hình thành dòng chảy lũ là quá trình xảy ra rất phức tạp vì:

- Hình dạng, địa hình, địa mạo, địa chất, rừng, hồ ao, đầm lầy phân bố muôn hình, muôn vẻ không thể giống như giả thiết

- Mưa phân bố không đều theo thời gian và không gian là kết quả của một loạt các nguyên nhân về khí tượng và khí hậu phức tạp

Do vậy CtCNDC chỉ mô tả quan hệ giữa Qmax thu được ở cửa ra với yếu tố diện tích lưu vực và lượng mưa lũ sinh ra

b)Sơ đồ lưu vực

Hình 4-7 Sơ đồ lưu vực khái niệm theo CtCNDC

2 Các nhân tố ảnh hưởng đến việc hình thành dòng chảy lũ

a) Nhân tố khí tượng: Mưa rào

Mưa rào là những trận mưa có cường độ mạnh tập trung gây ra trên một diện tích rộng hoặc hẹp, thời gian mưa dài hoặc ngắn phụ thuộc vào nguyên nhân gây ra mưa

Về định lượng: theo tiêu chuẩn của tổng cục khí tượng thủy văn những trận mưa ngày có lượng mưa ≥ 50 mm thuộc loại mưa rào

Bảng 4-7 Tiêu chuẩn mưa rào của Becgơ

Thời đoạn (phút) Lượng mưa (mm) Thời đoạn (phút) Lượng mưa (mm)

Bảng 4-8 Tiêu chuẩn mưa rào của tổng cục khí tượng thủy văn 1960

Cường độ mưa bình quân (mm/phút) 0,80 0,66 0,35 0,23 0,08 0,035

Ở nước ta lượng mưa rào sinh lũ gây ra do các yếu tố thời tiết như: bão, gió mùa, áp thấp nhiệt đới, địa hình, hoặc các hình thái thời tiết kết hợp.v.v

+ Sự thay đổi cường độ mưa theo thời gian

- Cường độ mưa là lượng mưa rơi trong một đơn vị thời gian, đơn vị đo: mm/ph, mm/h

∗ Cường độ mưa tức thời (it) là lượng mưa đo được trong từng thời điểm khác nhau Cường độ mưa tức thời luôn luôn thay đổi theo thời gian, thông thường trong một trận mưa cường độ mưa hai đầu thời đoạn bé ở giữa lớn người ta gọi là đỉnh mưa Để xác định cường độ mưa tức thời người ta dựa vào biểu đồ đo mưa tự ghi

∗ Cường độ mưa trung bình thời đoạn (at) là lượng mưa trung bình trong thời đoạn tính toán

t t

t

H H

1 2

Ở đây H1 và H2 là tổng lượng mưa tính đến thời điểm tính toán t1 và t2

∗ Cường độ mưa trung bình thời đoạn lớn nhất tạo lũ (aT) tính bằng mm/ph, mm/h

Ta thấy cường độ mưa trung bình giảm khi thời đoạn tính toán tăng lên Sự triết giảm của cường độ mưa khi thời đoạn tính toán tăng lên được thể hiện qua công thức:

aT =

T

S

n (4-69) Để tránh trường hợp khi T→ 0, thì aT→ ∞, người ta viết lại công thức (4-68) như sau:

− (4-71)

Trong đó: S: gọi là sức mưa (mm),

T: thời đoạn tính toán (h, ph),

n: hệ số triết giảm cường độ mưa thường lấy n = 0,7 hoặc 2/3,

H: là lượng mưa ngày (mm),

K: là hệ số xác định như sau: K =H1440ph H ngay =1,1÷1,2

+ Phân bố cường độ mưa theo diện tích:

Trong một trận mưa cường độ mưa phân bố rất không đều trên một diện rộng nơi có cường độ mưa lớn gọi là tâm mưa, từ tâm mưa cường độ mưa giảm dần theo khoảng cách về các phía của lưu vực

Tính lượng mưa phân bố theo diện tích bởi công thức sau:

HF = ϕH0 =

KF

H

m O

+

1 (4-72)

Trong đó: HF lượng mưa bình quân trên lưu vực (mm),

ϕ là hệ số triết giảm,

HO lượng mưa lớn nhất đo được ở tâm mưa (mm),

K, m hệ số kinh nghiệm biểu thị tính chất triết giảm lượng mưa theo diện tích Người ta đề nghị chọn K, m trong tính toán như sau:

K = 0,001; m = 0,8 cho những trận mưa < 1 ngày

K = 0,002÷0,003; m = 0,55÷0,65 cho những trận mưa > 1 ngày

Công thức (4-72) được áp dụng cho miền Bắc Việt Nam với K= 0,0012 và m = 0,72 b) Yếu tố lưu vực

Yếu tố lưu vực ảnh hưởng đến lưu lượng dòng chảy lũ bởi các vấn đề sau:

+ Tổn thất dòng chảy lũ - hệ số dòng chảy lũ

- Tổn thất dòng chảy lũ: bao gồm các loại tổn thất như sau:

∗ Tổn thất do thảm phủ thực vật trên bề mặt lưu vực giữ lại,

∗ Tổn thất do điền trũng vào các hang hóc, ao hồ trên lưu vực

∗ Tổn thất do thấm phụ thuộc vào điều kiện địa hình địa chất cấu tạo lưu vực

∗ Tổn thất do bốc hơi trong quá trình lũö

Tổn thất dòng chảy lũ giảm dần theo thời gian (tính theo thời gian bắt đầu và kết thúc mùa lũ) Trong các loại tổn thất trên thì tổn thất do thấm là đáng kể nhất

Các phương pháp xác định lượng tổn thất do thấm trên bề mặt lưu vực hay dùng là:

(1) Hệ số thấm ổn định (tham khảo giáo trình địa chất)

(2) Xác định cường độ thấm theo các loại đất trên lưu vực

Bảng 4-7 Xác định cường độ thấm theo địa chất

TT Loại đất đá trên lưu vực Cường độ thấm (mm/ph)

1 Đất không thấm, đường nhựa, bêtông, sét 0 ÷ 0,05

- Hệ số dòng chảy lũ:

Hệ số dòng lũ α phụ thuộc vào nhiều yếu tố khí hậu, điều kiện địa hình, địa chất,

diện tích lưu vực tùy theo từng vùng, miền khác nhau để xác định Các hệ số dòng chảy

lũ dùng trong tính toán bao gồm:

∗ Hệ số dòng chảy tổng lượng αtl (tính cho toàn trận lũ)

Y

− (4-74)

Trong đó:

Ytl(mm) độ sâu dòng chảy trận lũ, tương ứng tổng lượng mưa X(mm) toàn trận

Xo(mm) lượng mưa tổn thất ban đầu thường lấy 5÷20 (mm)

∗ Hệ số dòng chảy đỉnh lũ αđ: là tỷ số giữa độ sâu dòng chảy một ngày lớn nhất và

αđ =

a

k a

k a

−

=

−

1 (4-76) Trong đó: a là cường độ mưa, k là hệ số thấm ổn định

+ Vấn đề tập trung nước trên lưu vực:

Quá trình tập trung nước trên lưu vực chia làm 2 giai đoạn: quá trình tập trung nước

trên sườn dôïc và quá trình tập trung nước trong sông

τ = τd + τs =

s s

với a là thông số tập trung nước: a = 0,15.(20n)-3/4 (m/s)

a =13.(20n)-3/4(km/ngày)