Một số vấn đề tồn tại hiện nay trong tính toán mực nước lũ theo tần suất vμ kiến nghị phương pháp khắc phục GVC.. gvc phạm văn vĩnh Bộ môn Cơ thuỷ - ĐH GTVT Tóm tắt: Bμi báo đã đưa ra
Trang 1Một số vấn đề tồn tại hiện nay trong tính toán mực nước lũ theo tần suất
vμ kiến nghị phương pháp khắc phục
GVC nguyễn đình vĩnh ths gvc phạm văn vĩnh
Bộ môn Cơ thuỷ - ĐH GTVT
Tóm tắt: Bμi báo đã đưa ra cách giải quyết một số những khó khăn còn tồn tại hiện nay
trong tính toán đường tần suất mực nước vμ mực nước thiết kế các công trình cầu đường vμ
thuỷ lợi
Summary:The article put forward a proposal to solve difficulties for calculation of water
level Theoretical Frequency Curve and Design Water level of bridge, road construction Works
and Water resources
1 thực trạng về vấn đề tính toán mực nước lũ theo tần suất
• Trong tính toán đường tần suất lý luận cho những dãy số liệu lưu lượng thực đo theo
phương pháp thống kê xác suất thì hầu hết tỷ số giữa
V
S
C
C
thường chỉ dao động trong phạm vi
từ 1 đến 6, trong trường hợp này ta dùng phân bố gamma 3 thông số (Krítskimenken) là phù
hợp (tất nhiên có thể dùng các phân bố nhị thức, Pearsol III, logarit chuẩn v.v mà không mắc
sai phạm)
Trong tính toán đường tần suất cho mực nước Hmax, Hmin, Hbq ở Việt Nam thực tế cho thấy tỷ
số
V
S
C
C
= n = 1 ữ 30 hoặc lớn hơn hay nhỏ hơn nữa, nên nhiều trường hợp không thể dùng phân
bố gamma 3 thông số (Krítskimenken) mà phải dùng phân bố nhị thức, Pearsol III, hoặc logarit
chuẩn mới được
Sở dĩ có hiện tượng nói trên là do việc lựa chọn mặt chuẩn (O - O) của hệ cao độ đo mực
nước quá xa so với đáy sông nơi sâu nhất; làm cho trị số mực nước trở thành lớn hơn rất nhiều
so với khoảng cách từ mặt nước xuống đáy sông Cũng chính điều này làm cho biến xuất
Ki =
H
Hi
càng nhỏ nếu chọn mặt chuẩn càng xa đáy sông dẫn đến CV nhỏ đi trong khi CS
kkhông thay đổi
Thí dụ: Tại một mặt cắt trên một con sông nếu dùng mặt chuẩn A - A đi qua mặt đáy sông
nơi sâu nhất để tính mực nước thì tại một lần đo nào đó ta có HA = 10 m so với trị số bình quân
A
H = 5 m; KA = Hi/H = 2 Nếu không lấy mặt chuẩn đi qua đáy sông mà lấy mặt chuẩn B - B A
cách đáy sông 200 m thì:
Trang 2HB = HA + 200 m = 10 m + 200 m = 210 m
= +
=H 200m
02 , 1 205
210 H
H K
B
B
mà
( )
n
1 K C
n
1 i
2 i V
∑
=
ư
A
B C
C << như đã phân tích
• Trong tính toán xác định mực nước thiết kế để phục vụ việc tính toán các công trình giao thông vận tải hầu hết gặp các trường hợp hệ cao độ dùng để đo đạc và tính toán mực nước khác hẳn hệ cao độ thiết kế các công trình giao thông vận tải Vì thế ngoài việc tính toán mực nước thiết kế theo hệ đo đạc mực nước còn phải tính chuyển đổi sang hệ tính toán cầu đường
2 Phương pháp giải quyết
Qua nhiều năm tính toán thực tế tại Viện Thiết kế Bộ Giao thông, qua nghiên cứu tại Mátxcơva nước Nga và tại đại học Giao thông vận tải chúng tôi thấy có 3 cách giải quyết như sau:
2.1 Nếu muốn sử dụng phân bố Kritsrimenken thì trước khi tính toán các tham số kinh
nghiệm ta đem tất cả dãy số liệu mực nước thực đo trừ đi cao độ đáy sông nơi sâu nhất hoặc trừ
đi Hmin rồi mới tính toán các tham số kinh nghiệm Lúc này tính toán đường tần suất lý luận theo phân bố Kritsrimenken sẽ rất phù hợp Từ đường tần suất này tra ra trị số mực nước thiết kế Nhưng mực nước thiết kế phải cộng trả lại với cao độ đáy sông nơi sâu nhất (hoặc Hmin) Đến
đây ta mới căn cứ chênh lệch độ cao giữa mặt chuẩn hệ cao độ đo mực nước với mặt chuẩn hệ cao độ tính toán các công trình giao thông vận tải mà cộng hoặc trừ chênh lệch này để đưa mực nước thiết kế sang hệ cao độ tính toán các công trình giao thông vận tải
2.2 Nếu để nguyên số liệu mực nước đã thu thập được không xử lý gì ta buộc phải dùng
phân bố nhị thức, Pearsol III hoặc logarit chuẩn để tính toán đường tần suất lý luận vì các hàm này cho CS/CV = n với n thay đổi rất lớn Từ đường tần suất lý luận này ta tra ra mực nước thiết
kế theo hệ cao độ đo đạc và tính toán mực nước Sau đó căn cứ vào chênh lệch độ cao giữa mặt chuẩn của hệ cao độ đo mực nước với mặt chuẩn của hệ cao độ tính toán các công trình giao thông vận tải mà cộng hoặc trừ chênh lệch này để đưa mực nước thiết kế về hệ cao độ tính toán các công trình giao thông vận tải
2.3 a) Nếu muốn chuyển đổi các tham số thống kê từ hệ cao độ đo mực nước: H , 1 , sang hệ tính toán các công trình giao thông vận tải
1 S
C
1
V
công thức sau:
2 S
a H
a H
Trang 3a H
C H C
1 1 V 1 2 V
±
1 S 2
trong đó:
a là chênh lệch mặt chuẩn O - O giữa hệ cao độ đo mực nước và hệ cao độ dùng để tính toán các công trình giao thông vận tải
Dấu + dùng khi hệ cao độ tính toán các công trình giao thông vận tải có mặt chuẩn
thấp hơn mặt chuẩn hệ cao độ đo mực nước
Dấu - dùng khi hệ cao độ tính toán các công trình giao thông vận tải có mặt chuẩn cao
hơn hệ cao độ đo mực nước
Dùng H , 2 , ta có thể tính toán đường tần suất lý luận và trị số mực nước thiết kế theo hệ cao độ tính toán các công trình giao thông vận tải nhưng phải dùng các phân bố có C
2 S
C
2 V
C
S/CV = n rất linh dộng là các phân bố nhị thức, Pearsol III, logarit chuẩn
b) Trong trường hợp muốn dùng phân bố Kritskimenken ta sử dụng các công thức sau:
a b H
a b H
C b H C
1 1 V 1 M K 2 V
±
ư
ư
=
1 S M K 2
Trong đó
1 V 1 S
1 , C , C
Hmin,
M K 2 V KM 2 S
M
K
2 ,C ,C
mực nước thiết kế theo hàm Krítskimenken Nhưng trị số này phải cộng thêm b để trở lại mức nước thiết kế dùng theo hệ cao độ tính toán các công trình giao thông vận tải
2.4 Chứng minh các công thức (3-3), (3-4), (3-5), (3-6) và (3-7)
a) Chứng minh công thức (3-3)
ở hệ cao độ đo mực nước sau khi tính toán ta có:
1 S 1 V i 1 i
1,H,C ,C
Nếu muốn chuyển đổi các tham số này sang hệ cao độ khác (có mặt chuẩn cao hơn hoặc thấp hơn nó) khi đó ta có:
a H
a H
Với
n
H H
n
1 i
i
∑
=
= , H là hằng số đối với một dãy số liệu kinh nghiệm đã cho
Trang 4Theo công thức cơ bản:
( )
n H
H H
n
1 K C
n 1 i
2 i n
1 i
2 i V
∑
∑
=
⎞
⎜
⎜
⎝
=
−
=
n H
H H
n
1 K C
n 1 i
2 1
1 i 1 n
1 i
2 i 1 1
V
∑
∑
=
⎞
⎜
⎜
⎝
=
−
( )
n H
H H
n
1 K C
n 1 i
2 2
2 i 2 n
1 i
2 i 2 2
V
∑
∑
=
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛ −
=
−
Thay (3-1), (3-2) và (4-2) ta có:
( ) ( )
n
a H
H H
n
a H
a H a H C
n 1 i
2 1
1 i 1 n
1 i
2 1
1 i
1 2
V
∑
∑
=
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
±
−
=
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
±
±
−
±
Có thể nhân và chia biểu thức (4-3) cho H : 12
n
a H
H H
H H n
H
H a H
H H C
n 1 i
2 1 1 2 1
1 i 1 n
1 i
2 1
2 1 2 1
1 i 1
V2
∑
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
±
ì
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ −
=
ì
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
±
−
Vì
2
1
1
a
H
H
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
± là hằng số nên có thể viết tách (4-4) thành:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
±
=
±
ì
⎟
⎞
⎜
⎛ −
= ∑
=
a H
H C a H
H n
H
H H C
1
1 1 V 1
1 n
1 i
2 1
1 i 1 2
V
Công thức trên chính là công thức (3-3) đã đ−ợc chứng minh
b) Chứng minh công thức (3-4)
a H
Trang 5Ta cũng đã chứng minh được: ⎟⎟⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
±
=
a H
H C C
1
1 1 V 2
Theo công thức cơ bản tính hệ số chênh lệch:
3 V
n 1 i
3 i
3 V
n 1 i
3 i S
nC H
H H
nC
1 K C
∑
∑
=
⎞
⎜
⎜
⎝
=
ư
=
( )
3 1 V
n 1 i
3 1
1 i 1
3 1 V
n 1 i
3 i 1 1
S
nC H
H H
nC
1 K C
∑
∑
=
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛ ư
=
ư
( )
3 2 V
n 1 i
3 2
2 i 2
3 2 V
n 1 i
3 i 2 2
S
nC H
H H
nC
1 K C
∑
∑
=
⎞
⎜
⎜
⎝
=
ư
Thay (3-1), (3-2), (3-3) vào (4-6) ta có:
( ) ( ) ( )3
1 V 1
3 1 n
1 i
3 1
1 i
1 2
S
C H n
a H a
H
a H a H C
±
ì
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
±
±
ư
±
=
∑
=
(4-7)
Vì (H1±a) là hằng số nên:
1 S 3
1 V
n 1 i
3 1
1 i 1
3 1 V
3 1
n 1 i
3 1 i 1 2
nC H
H H
C H n
H H
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
=
ư
=
∑
∑
=
=
Công thức trên chính là công thức (3-4) đã được chứng minh
c) - Công thức (3-5) có thể viết ra dễ dàng như công thức (3-2)
- Công thức (3-6) chứng minh tương tự như công thức (3-3)
- Công thức (3-7) chứng minh tương tự như công thức (3-4)
2.5 Thí dụ tính toán thực tế
Dưới đây là một trong nhiều bài toán chúng tôi đã giải trong tính toán thực tế tại Viện Thiết
kế Bộ Giao thông
a) Tại một trạm thuỷ văn có số liệu đo đạc mực nước từ năm 1943 ữ 1976 được xếp theo thứ tự giảm dần và được lập thành bảng tính các tham số thống kê cơ bản như sau:
Trang 6Thø tù H1i (cm)
1
i 1 i 1
H
H
K = (K1i - 1) (K1i - 1)2 (K1i - 1)3 (%)
1 n
m P +
=
15 112 0,9840 - 0,0160 0,0003 0,0000 44,12
16 106 0,9313 - 0,0687 0,0047 - 0,0003 47,06
17 103 0,9049 - 0,0951 0,0090 - 0,0009 50,00
18 100 0,8786 - 0,1214 0,0147 - 0,0018 52,94
19 96 0,8434 - 0,1566 0,0245 - 0,0038 55,88
20 89 0,7819 - 0,2181 0,0476 - 0,6543 58,82
21 82 0,7204 - 0,2796 0,0782 - 0,0218 61,76
22 79 0,6941 - 0,3059 0,0936 - 0,0286 64,71
23 75 0,6589 - 0,3411 0,1163 - 0,0397 67,65
24 70 0,6150 - 0,3850 0,1482 - 0,0571 70,59
25 66 0,5799 - 0,4201 0,1765 - 0,0741 73,53
26 62 0,5447 - 0,4553 0,2073 - 0,0944 76,47
27 59 0,5184 - 0,4816 0,2319 - 0,1117 79,41
28 55 0,4832 - 0,5168 0,2671 - 0,1380 82,35
29 50 0,4393 - 0,5607 0,3144 - 0,1763 85,29
30 48 0,4217 - 0,5783 0,3344 - 0,1934 88,24
31 45 0,3954 - 0,6046 0,3655 - 0,2210 91,18
32 43 0,3778 - 0,6222 0,3871 - 0,2409 94,12
33 38 0,3339 - 0,6661 0,4437 - 0,2955 97,06
33
3756 n
H
n 1 i i 1
=
H
- TÝnh hÖ sè ph©n t¸n:
5 , 0 1 33 0751 , 8 1
n
1 K C
n 1 i
2 i 1 1
−
=
−
−
=
∑
=
- TÝnh hÖ sè thiªn lÖch:
( ) (33 1).0,5 0,38
5024 , 1 C
1 n
1 K C
3 3
1 V
n 1 i
3 i 1 1
−
=
−
−
=
∑
=
Trang 7- Tû sè 0,76 lÇn
50 , 0 38 , 0 C
C
1 V
1
b) NÕu ta dÞch chuyÓn mÆt chuÈn ®o mùc n−íc cña tr¹m thuû v¨n trªn thÊp xuèng 2600 cm
n÷a th× tÊt c¶ c¸c sè liÖu mùc n−íc cña tr¹m nµy ph¶i céng thªm 2600 cm Ta gäi d·y sè liÖu
thuû v¨n thùc ®o lóc nµy lµ:
H2i = H1i + 2600 cm C¸c tham sè c¬ b¶n lóc nµy ký hiÖu lµ:
2 S 2 V
2, C , C
Thø tù H1i = H1i + 2600
H
i
1 n
m P +
=
Trang 8- Tính trị số bình quân: 2713,82 cm
33
89556 n
) cm 2600 H (
i 1
+
=
- Tính hệ số phân tán:
021 , 0 1 33 01419 , 0 1
n
1 K C
n 1 i
2 i 2 2
ư
=
ư
ư
=
- Tính hệ số thiên lệch:
( ) (33 1) 0,021 0,40
000125 , 0 C
1 n
1 K C
3 3
V
n 1 i
3 i 2 2
ì
ư
=
ư
ư
=
∑
=
1 S 2
S ≈ =
021 , 0 40 , 0 C
C
2 V 2
c) Nếu dùng các công thức tính chuyển đổi (3-2), (3-3), (3-4) thì:
cm 82 , 2713 2600 82 , 113 cm 2600 H
021 , 0 5 , 0 2600 82 , 113 82 , 113 C
a H
H
1
1 2
+
= +
d) Nhận xét
- Việc dùng công thức tính toán chuyển đổi (3-2), (3-3), (3-4) ở phần c so với việc tính toán
ở phần b có kết quả tính
2 V
2 , C
là hoàn toàn đúng
38 , 0 C
CS2= S1=
- ở phần b tính được CS2=0,4≈CS1 =0,38 có sai số so với công thức (3-4) chút ít vì việc tính toán ở phần b qua nhiều lần làm tròn
3 Kết luận
Việc tính toán các tham số thống kê H , CV , CS của mực nước và mực nước thiết kế như
đã trình bày ở trên; đặc biệt là việc sử dụng các công thức (3-1), (3-2), (3-3), (3-4), (3-5), (3-6), (3-7) để chuyển đổi các tham số thống kê từ hệ cao độ này sang hệ cao độ khác làm cho việc tính toán thêm nhanh chóng, thuận lợi, tránh được những nhầm lẫn đáng tiếc có thể xảy ra Những công thức trên đây sẽ tháo gỡ được những thắc mắc, khó khăn còn tồn đọng lâu nay trong tính toán mực nước thiết kế của một số ngành kỹ thuật, trong đó có ngành giao thông vận tải
Tài liệu tham khảo
[1] Nguyễn Sinh huy, Nguyễn Lai, Phạm Phò Giáo trình thuỷ văn công trình Nhà xuất bản nông nghiệp,
Hà nội, 1974
Trang 9[2] Đỗ Cao Đμm, Hμ Văn Khối vμ các tác giả khác Giáo trình thuỷ văn công trình Nhà xuất bản nông
nghiệp, Hà nội, 1973
[3] Nguyễn Xuân Trục Công trình vượt sông Nhà xuất bản Xây dựng, 1984
[4] Bộ giao thông vận tải 1995 Tính toán các đặc trưng dòng chảy lũ - 22 TCN 220-95
[5] Nguyễn Đình Vĩnh, Trần Đình Nghiêm, Phạm Văn Vĩnh (đồng tác giả): Thuỷ văn đại cương Trường đại
học Giao thông Vận tải, Hà nội, 1998
[6] Phạm Văn Toản Giáo trình thuỷ văn cầu đường Trường đại học Giao thông Vận tải, Hà nội, 1970 [7] GS TS G V ZELEZNHIAKÔV vμ nhiều tác giả Thuỷ văn, đo đạc thuỷ văn và chỉnh trị dòng chảy Nhà
xuất bản Kalơx Mátxcơva, 1984 (tiếng Nga)
[8] Quy trình khảo sát và thiết kế công trình vượt sông đường ô tô và đường sắt Nhà xuất bản Vận tải,
1972
[9] TS A I TREBÔTAREP vμ PTS PH B ZALECKI Hướng dẫn tính toán xác định các đặc trưng thuỷ văn
Nhà xuất bản Lêningrát, 1973
[10] Ngô Đình Tuấn, Đặng Văn Bảng, Nguyễn Văn Thắng Khôi phục số liệu và phân tích tính toán thuỷ
văn lưu vực Rào Quán theo mô hình Tank (Nhật) Đại học Thuỷ lợi, 1985
[11] Nguyễn Văn Cung, Võ Phán, Lưu Công Đμo, Quản Ngọc An, Đỗ Tất Túc Giáo trình động lực học
sông ngòi Nhà xuất bản Nông nghiệp, Hà nội, 1981
[12] Nguyễn Đình Vĩnh Báo cáo thực tập Đại học Thuỷ lợi Mátxcơva, 1990Ă