Thủy văn học và phân tích vùng ngập lụt ( ĐH Quốc Gia Hà Nội ) - Chương 9 ppt

Những vấn đề thiết kế trong thuỷ văn học ảnh: Trạm bơm nước mưa đô thị 9.1 Giới thiệu Trong chương này, các phương pháp tính toán lượng mưa và lượng dòng chảy thiết kế được nhấn mạnh

Chương 9 Những vấn đề thiết kế trong thuỷ văn học

ảnh: Trạm bơm nước mưa đô thị

9.1

Giới thiệu

Trong chương này, các phương pháp tính toán lượng mưa và lượng dòng chảy thiết

kế được nhấn mạnh đối với những lưu vực đô thị hoá nhỏ và rộng lớn Cả các đường cong cường độ - thời gian- tần suất (IDF) và các biểu đồ mưa thiết kế đã được giới thiệu

sẽ được đề cập khá chi tiết Trong phần 9.3 thiết kế trên lưu vực nhỏ gồm cả việc nghiên cứu phát triển phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng đối với loại hệ thống cống tròn trên một phân khu (Ví dụ 9.2) Các phương pháp thiết kế kích thước của các cống tròn và kênh dẫn sử dụng đường lưu lượng đơn vị gần như được thiết kế theo những giới hạn tiêu chuẩn đối với các khu vực đô thị Ví dụ 9.3 mô tả một cách chi tiết việc thiết kế kiểm soát lũ đối với một phân khu sử dụng mô hình HEC-1 với lượng trữ khống chế và trữ lượng tràn (Ví dụ 9.4) Kết thúc chương bằng một trường hợp nghiên cứu duy nhất trên đồng bằng ngập lũ sử dụng mô hình HEC-1 và HEC-2 phân tích và thiết kế tại các vùng rừng, gần thành phố Houston, bang Texas

9.2

Lượng mưa thiết kế

Các đường cong IDF

Những lượng mưa thiết kế đã được mô tả đầu tiên và chi tiết trong phần 5.6 và

phần 6.3, cùng với việc đề cập tới nguồn dữ liệu và sự lựa chọn một lượng mưa thiết kế

đặc trưng Các đường cong IDF quan hệ với cường độ lượng mưa, thời gian mưa và một

chuỗi các chu kỳ khác nhau Các ví dụ đặc trưng về đường cong IDF đối với các chu kỳ

từ 2 đến 100 năm được thể hiện trong hình 1.8 cho thành phố Houston, bang Texas, và

hình 6.5 cho thành phố Tallahassee, bang Florida Các đường cong IDF cũng được sử

dụng để xác lập biểu đồ mưa lũ thiết kế tổng hợp khi cho thời gian và tần suất mưa,

như được mô tả trong ví dụ 6.4, hình E6.4 thể hiện kết quả trận mưa thiết kế với chu

kỳ 5 năm thời gian mưa 24 giờ đối với vùng Tallahassee, bang Florida Trận mưa thiết

kế 24 giờ thường đạt giá trị 1 giờ mưa lớn nhất tại giờ thứ 12 Giá trị mưa 2 giờ tương

ứng với tổng các giá trị tại giờ thứ 12 và 13, và giá trị mưa 3 giờ tương ứng với tổng giá

trị tại các giờ thứ 11, 12, 13, Đường cong thiết kế tổng hợp ở thành phố Houston,

bang Texas, đối với các chu kỳ 10 năm và 100 năm, thời gian mưa 24 giờ là tương tự và

được mô tả trong hình 5.11 Trận mưa thiết kế tổng hợp gặp phải điều kiện không

thuận lợi đó là trạng thái và thời gian mưa có phần tuỳ ý (xem phần 6.3), nhưng việc sử

dụng các đường cong IDF để đưa ra các trận mưa tổng hợp là tương đối đơn giản và

được xác định tốt đối với nhiều vùng đô thị ở Mỹ

Các đường cong IDF cũng được biểu diễn theo một dạng phương trình vì rằng

không thể đọc trên đồ thị IDF để xác định được cường độ mưa Wenzel (1982) cung cấp

các hệ số từ một số thành phố của nước Mỹ đối với phương trình có dạng

f T

c

i e

d +

trong đó: i là cường độ mưa thiết kế (in/giờ)

T d là thời gian mưa (phút)

c, e, và f là những hằng số được thể hiện trong bảng 9.1 với chu kỳ 10

năm đối với một vài thành phố nước Mỹ Vì vậy, trận mưa thiết kế có chu kỳ 10 năm, thời gian mưa 20 phút đối với khu vực Denver là 3,0 in/giờ

Tần suất mưa thiết kế cho lưu vực lớn

Một vấn đề thiết thực trong thiết kế thuỷ văn là việc tính toán tần suất mưa thiết

kế đối với một số các trạm đo mưa trên một lưu vực rộng lớn Vào ngày 17-18 tháng 5 năm 1989 xảy ra một trận mưa lớn tập trung ở phần hạ lưu sông Cypress Creek gần thành phố Houston, bang Texas, kéo dài trên 24 giờ, nó đã gây ra một vùng ngập lụt rộng lớn ở hạ lưu lưu vực Theo ghi chép của 9 trạm đo đạc dòng chảy nằm trên hoặc gần sông Cypress Creek hoạt động liên tục trong suất thời gian diễn ra sự kiện trên đã cung cấp những số liệu về lượng mưa và lưu lượng dòng chảy Vị trí các trạm này được thể hiện trên hình 9.1 cùng với bản đồ đường đẳng trị lượng mưa xây dựng từ số liệu lượng mưa của trận mưa tháng 5 năm 1989 (Harris County Flood Control District, 1991)

Hình 9.1 Bản đồ đường đẳng trị lượng mưa xây dựng từ số liệu lượng mưa của trận mưa tháng 5

năm 1989 (Harris County Flood Control District, 1991)

Điểm có tổng lượng mưa lớn nhất trong 9 trạm với thời gian mưa thay đổi từ 1 dến

24 giờ được thể hiện trong bảng 9.2 Từ đó có thể thấy rằng tổng lượng mưa ở vùng thượng lưu ngã ba sông Little Cypress Creek không vượt quá chu kỳ 3 năm Phía dưới của lưu vực, quan trắc được chu kỳ thay đổi từ 10 đến 80 năm đối với thời gian mưa 24 giờ Lượng mưa 24 giờ lớn nhất quan trắc được tại trạm 1140 nằm ở trung tâm hạ lưu lưu vực, theo đó lượng mưa là 12,11 in trên 24 giờ, lượng mưa này có chu kỳ 80 năm

Điểm hoặc các trạm đo mưa phải được đặt sao cho phù hợp với diện tích lưu vực để tính toán các chu kỳ trung bình lưu vực Hình 9.2a thể hiện khái quát sự biến đổi của

đồ thị chiều sâu lớp nước - diện tích trên nước Mỹ được công bố bởi Cục thời tiết Mỹ Đối với vùng hạ lưu sông Little Cypress Creek, chu kỳ lặp trung bình lưu vực thay đổi từ 15 năm với lượng mưa 12 giờ đến trên 100 năm đối với thời gian mưa 30 phút và 1 giờ Trong khu vực này, chu kỳ lặp đối với thời gian mưa 12 giờ được xác định là 60 năm, so với chu kỳ lặp 80 năm tại trạm 1140 Số liệu mưa quá khứ này có thể được sử dụng trong mô hình HEC- 1 (xem phần 5.4 và 5.6) để mô phỏng đỉnh lũ thiết kế trên lưu vực

Bảng 9.2 Số liệu trận mưa tháng 5 năm 1989 ở Cypress Creek

Thời đoạn mưa

1 giờ 2 giờ 3 giờ 6 giờ 12 giờ 24 giờ 48 giờ

Chu

kỳ

Độ sâu

Chu

kỳ

Độ sâu

Chu kỳ

Độ sâu

Chu

kỳ

Độ sâu

Chu

kỳ

Độ sâu

Chu kỳ

30 phút tới 1 giờ và chu kỳ lặp từ 1 dến 100 năm (Hình 9.2b) Gần đây hơn, NWS đưa

ra HYDRO 35 (1977a) thể hiện chiều sâu lớp nước đối với thời gian mưa 5, 15, và 60 phút với chu kỳ lặp từ 2 đến 100 năm, thay thế một phần TP 40 Những tài liệu này có thể sử dụng để xác định biểu đồ mưa thiết kế hoặc các đường cong IDF đối với các khu vực xác định của nước Mỹ

Trong những dự án thiết kế lớn như: đập tràn, đập, hoặc các hồ chứa quan trọng, việc phân tích chiều sâu lớp nước- thời gian mưa -tần suất mưa với chu kỳ lặp 100 năm thậm chí 500 năm cũng không thể loại trừ khả năng sự cố có thể xảy ra Tại nước Mỹ lượng mưa lớn nhất có thể xảy ra (PMP) là được sử dụng, bằng việc phân tích đánh giá chiều sâu lớp nước mưa lớn nhất đối với một thời gian mưa xác định đó là quy luật tự nhiên trên một vùng địa hình riêng biệt tại một thời gian xác định trong năm Trận mưa lớn nhất có thể xảy ra (PMP) bao gồm sự phân bố lượng mưa theo thời gian

Hình 9.2 (a) Tổng độ sâu - diện tích

Hình 9.2(b) Bản đồ mưa 24 giờ, 100 năm

Những khái niệm và phương pháp luận liên quan được mô tả trong các báo cáo của Trung tâm quản lý đại dương và khí quyển quốc gia (NOAA) NWS, các báo cáo khí tượng thuỷ văn (HMR), đặc biệt là HMR 51 (1978) và HMR 52 (1982) đối với vùng phía

Đông kinh tuyến 105 PMF hay lũ lớn nhất có thể xảy ra lũ cực hạn liên quan chặt chẽ với PMP Đối với khu vực phía Tây kinh tuyến 105, một số bản báo cáo NWS khác có thể dùng được và được viết bởi Viện khoa học quốc gia (1983) Ví dụ như: California

được mô tả trong HMR 36 (Cục thời tiết quốc gia, 1969), vùng Tây Bắc trong HMR 43 (Cục thời tiết quốc gia, 1966), và vùng Tây Nam trong HMR 49 (Cục thời tiết quốc gia, 1977)

Trung tâm thuỷ văn công trình của quân đội Mỹ (HEC) có một chương trình máy

tính gọi là HMR 52 để tính toán lượng mưa bình quân lưu vực đối với trận mưa lớn nhất có thể xảy ra (PMS) trên cơ sở PMP ước lượng từ HMR 51 Chương trình này có thể sử dụng với mô hình HEC-1 để xác định PMF đối với một hồ chứa hoặc lưu vực lớn PMP xác định cho một lưu vực có các thành phần quan trọng bao gồm: (1) đường cong lớp nước- diện tích- thời gian mưa, (2) kiểu đường đẳng trị lượng mưa chuẩn có dạng hình ellipse, (3) chiều hướng biến chuyển, (4) diện tích mưa giới hạn, (5) tham số biến chuyển đường đẳng trị lượng mưa tham số này chỉ rõ tỷ lệ phần trăm của độ sâu lớp nước ứng với lượng mưa lớn nhất đối với mỗi dạng đường đẳng trị lượng mưa

đất không thấm tăng, thêm vào đó sự tập trung dòng chảy xuống hạ lưu của các vùng bên cạnh Lượng trữ tự nhiên trên lưu vực thường giảm cùng với sự phát triển đô thị hoá Nhiều vấn đề trữ nước lại phải được thực hiện để xử lí tỉ lệ tăng dòng chảy, giảm lượng trữ tự nhiên cũng như tổn thất trong các cống, sự mở rộng lòng dẫn, hoặc trên hệ thống đường phố Nếu đỉnh dòng chảy ra tăng mạnh là kết quả của sự phát triển trên một khu vực, khí đó nhiều khả năng xảy ra trữ lượng nước khống chế trên các vị trí vào

và ra có thể được yêu cầu

Những thiết kế lưu vực nhỏ thường bao gồm việc sử dụng phương pháp thích hợp (phần 6.4) hoặc một phương pháp biểu đồ thuỷ văn đơn vị (phần 2.4) để dự báo các lưu lượng cực đại tại những vị trí khác nhau đối với lượng mưa và thời gian mưa thiết kế đã cho Sự lựa chọn chính xác phương pháp thiết kế thuỷ văn phụ thuộc lớn vào nhu cầu thiết kế riêng đối với từng thành phố hoặc thị xã và kích thước của từng vùng phát triển Các khu vực quan trọng nhất thuộc thủ đô hiện nay có các sách quy phạm thiết

kế, các sách này chỉ rõ các nguyên tắc và quy phạm đối với lượng nước mưa thiết kế Những yêu cầu từ Quy phạm đối với thiết kế kiểm soát lũ và hệ thống thoát nước thích ứng khá đặc trưng và sẽ được sử dụng để làm sáng tỏ các ví dụ đưa ra trong chương này

Các phương pháp mưa - dòng chảy được áp dụng trên các lưu vực có diện tích xác

định Quy phạm có thể được dùng đối với việc thiết kế các lòng dẫn hở, cầu, cống ngầm, máng nước kín, các cửa cống thoát nước lũ, các công trình điều tiết vận tốc dòng chảy,

và các hồ trữ nước nhỏ Mỗi khu vực đô thị sẽ có những yêu cầu khác nhau nhưng tổng quát lại thì mục đích là tương tự nhau: xây dựng và duy trì tính phù hợp đã dự tính để giảm thiểu tối đa sự đe doạ của lũ đỗi với tất cả các thành phố, thị xã Các vùng có độ

dốc lớn sẽ có các thiết kế và chương trình đặc biệt, nhất là các vấn đề liên quan tới tốc

độ dòng chảy và tốc độ xói mòn đất

dòng chảy cực đại trong khu vực không phát triển

Dòng chảy cực đại trong khu vực không phát triển được sử dụng trong giai đoạn ban đầu để so sánh ảnh hưởng của dự án phát triển đối với một lưu vực đã cho Đỉnh lũ

đối với vùng không phát triển có thể xác định được bằng cách sử dụng một số các phương pháp bao gồm phương pháp thích hợp với các hệ số không phát triển, phương pháp diện tích - lưu lượng hoặc vị trí các đường cong dòng chảy mặt thu được từ số liệu các trạm đo, hoặc các phương pháp biểu đồ thuỷ văn đơn vị với các hệ số không phát triển thích hợp Các kết quả thường sẽ khác nhau phụ thuộc vào sự lựa chọn các phương pháp, và một số phương pháp cho kết quả dự báo phía trên trong khi những phương pháp khác lại ở phía dưới đỉnh lũ Như vậy, phương pháp thích hợp không được

sử dụng để thiết kế trên những diện tích lớn hơn 1,0 mi2 (2,5 km2) Các phương pháp biểu đồ thủy văn đơn vị sẽ không được sử dụng trên các lưu vực bộ phận lớn hơn khoảng 3-5 mi2 Các mô hình máy tính như mô hình HEC-1 hoặc SWMM thường được yêu cầu sử dụng cho các khu vực có diện tích lớn hơn khoảng 2000 mẫu (khoảng 3 mi2) bởi vì cần phải xét tới các lưu vực bộ phận và diễn toán lũ trong lòng dẫn, như đã thể hiện trong phần 5.6 Ví dụ 9.1 so sánh ba phương pháp trong việc tính toán tốc độ thay

đổi dòng chảy cực đại từ các khu vực không phát triển

Ví dụ 9.1

Tính toán dòng chảy cực đại từ các lưu vực không phát triển

Xác định tốc độ thay đổi dòng chảy cực đại khu vực không phát triển với chu kỳ

100 năm tính theo đơn vị ft3/s đối với diện tích lưu vực 403 mẫu gần thành phố Houston, bang Texas, như trong hình E9.1

Sử dụng phương pháp phần tử với T c= 60 phút và các đường cong IDF (hình 1.8)

Sử dụng phương pháp TC + R trong bảng 5.13 với tỉ lệ phát triển 0%

Sử dụng phương pháp SCS đối với biểu đồ thuỷ văn đơn vị (UH) và lượng mưa trong một giờ là 4,3 in với chu kỳ 100 năm

L C R

TC

=

706 , 0

22

78,025,

06 , 1

=

06 , 1

22

39,079,

10 , 7 0 , 8 0,78

= 151 ft3/s(giờ/in) (trong biểu đồ thuỷ văn đơn vị)

i.Q P = 4,3 in /giờ.151ft3/s(giờ/in)

= 649,3 ft3/s

Phương pháp thích hợp thiết kế đối với một phân khu

Phương pháp thích hợp được mô tả chi tiết trong phần 6.4 và ví dụ 6.6 và các hệ số

đặc trưng đối với hệ số dòng chảy mặt C trong công thức Q = CiA được liệt kê trong bảng 6.6 Cường độ lượng mưa i thường được xác định từ đường cong IDF với thời gian

mưa bằng thời gian tập trung nước hoặc thời gian đạt tới sự cân bằng trên lưu vực Mặc dù, phương pháp có một số hạn chế như đã đề cập trong phần 6.4, nhưng nó thường được sử dụng trên khắp nước Mỹ để thiết kế hệ thống thoát nước mưa thích ứng Ví dụ 9.2 thể hiện một thiết kế tiêu biểu đối với một phân khu nhỏ sử dụng phương pháp phần tử để xác định kích thước hệ hệ thống cống tròn

Cường độ lượng mưa có thể xác định được từ các đường cong IDF cho các thành phố hoặc khu vực Thường một chu kỳ lũ lụt từ 2 đến 5 năm sẽ được sử dụng để lắp đặt

đường ống tiêu thoát nước lũ mặt do mưa, mặc dù trong một số trường hợp đặc biệt lưu lượng có chu kỳ 10 năm thậm chí 100 năm sẽ được tính toán đến

Ví dụ, khu vực thành phố Houston yêu cầu một dòng chảy thiết kế với chu kỳ là 3 năm từ việc tính toán theo phương pháp phần tử bằng cách sử dụng một tập hợp các

đường cong dòng chảy mặt từ thành phố Houston Dung tích cống thường được xác định

từ phương trình Manning’s đối với dòng chảy trong ống có áp, ở đây có thể thấy rằng

đường kính ống cần thiết ứng với một tốc độ thay đổi lưu lượng xác định là:

( )0 , 5

0

16,2

trong đó Q tính theo đơn vị ft3/s, n là hệ số Manning’s, S 0 là độ dốc, và D là đường kính

cống tính bằng ft

Ví dụ 9.2

Phương pháp thích hợp thiết kế trên một phân khu sử dụng bảng tính

Việc đánh giá lưu vực không phát triển trong ví dụ 9.1 được chia thành các phân khu phát triển, và hệ thống cống dẫn được bố trí như trong hình E9.2 Các bản đồ địa hình được sử dụng để xác định các diện tích khu vực kết hợp với mỗi điểm vào chính

như thể hiện trên bản đồ Phương pháp bảng tính là rất tiện ích trong việc tổ chức dữ

liệu và sẽ được sử dụng trong ví dụ này

Bảng E9.2 Thiết kế cống tròn bằng phương pháp tương quan

Những tính toán cho cống tròn khu vực phụ 2

Phương pháp thích hợp cần thiết để xác định giá trị của C trong thành phố Houston, trong trường hợp này C = 0,3 và i xác định từ một chuỗi các bảng với thời gian

tập trung dòng chảy xác định Mỗi diện tích tiêu thoát nước bắt đầu luỹ tích với phần lớn các thượng lưu được xác định theo chiều dài ống, độ dốc, thời gian tập trung nước,

cường độ mưa, tham số C, lưu lượng thiết kế Q, đường kính tính toán, kích thước cống

được sử dụng, vận tốc dòng chảy V, và thời gian chảy

Ví dụ, trong phân khu 3 cống AB trong hình E9.2 và bảng E9.2 có diện tích tiêu thoát nước là 6,02 mẫu, chiều dài cống là 185 ft, và độ dốc của cống là 0,0022 ft/ft Từ

bảng IDF đối với thành phố Houston, giá trị của i là 3,63 in/giờ và thời gian ban đầu t c

được giả thiết bằng 14 phút đối với diện tích đầu tiên Lưu lượng trong cống tính được

là 6,56 ft3/s, từ phương trình Manning’s lưu lượng này cần một cống dẫn có đường kính tối thiểu là 1,76 ft hoặc một cống có đường kính hiệu dụng trên 2,0 ft (24 in) Chia lưu lượng Q cho diện tích mặt cắt ống thu được lưu tốc là 2,7 ft/s Thời gian chảy trong ống

AB được tính từ L/V bằng 1,1 phút cộng với thời gian tập trung dòng chảy đối với cửa

vào B của cống tiếp Tiếp đó ống BC có t C = 15,1 phút và quá trình trên tiếp tục được lặp

lại Nếu có thể có nhiều hướng chảy lưu lượng hơn để tới một điểm vào, sau đó giá trị t C

lớn nhất sẽ được lựa chọn cho việc thiết kế Chú ý rằng cống BC cần có đường kính là 2,5 ft

Hệ thống cống cuối cùng đòi hỏi đường kính cống thay đổi từ 2,0 đến 6,0 ft (24-72 in) đối với phân khu 3 và từ 4,0 đến 5,0 ft (48-60 in) đối với phân khu 2 như trong hình E9.2 Chú ý rằng lưu lượng trong các cống dẫn nhỏ hơn chảy vào các cống dẫn lớn hơn thường gặp tại những ống nối hoặc cửa cống

Những điểm thu nước phải được sắp đặt một cách hợp lí đối với các máng dẫn để

đưa nước vào hệ thống cống thoát nước Hệ thống được thiết kế để tiêu thoát toàn bộ dòng chảy mặt một trận lũ với chu kỳ 3 năm vào trong cống dẫn mà không có bất cứ một lượng nước nào tồn đọng trên phố hoặc những vùng thấp Tốc độ thay đổi lượng mưa lớn hơn lượng mưa thiết kế với chu kỳ 3 năm cần sử dụng các biểu đồ thuỷ văn và

sẽ được chỉ dẫn trong phần 9.4

9.4

Thiết kế các biểu đồ thuỷ văn cho dòng chảy trong cống tròn, dòng chảy tràn và dòng chảy trong các lòng dẫn hở

Thiết kế các cửa sông lưu vực nhỏ

Phương pháp thích hợp thiết kế cho một phân khu nhỏ phù hợp trong việc thiết kế

hệ thống cống tròn, phương pháp này không chú trọng nhiều đến lượng mưa với cường

độ lớn có thể xuất hiện Phần lớn các lưu vực đô thị được thiết kế theo tiêu chuẩn liên quan đến những trận mưa cực đại trong thời đoạn từ 25 đến 100 năm Trong thành phố Houston tiêu chuẩn thiết kế đó được áp dụng với khu vực có diện tích từ 100 đến 200 mẫu, độ dốc thuỷ lực với thời đoạn 25 năm phải nhỏ hơn hoặc bằng độ dốc của các rãnh

nước tiêu thoát cho một khu vực có diện tích tiêu thoát lớn hơn 100 mẫu Bề mặt mực nước thiết kế với thời đoạn 25 năm được giả thiết trong lòng dẫn cửa ra làm cơ sở cho toàn bộ các điều kiện phát triển Lượng nhập lưu trong các đoạn đặc trưng của hệ thống

đáp ứng cho một khu vực có diện tích lớn hơn 200 mẫu, lưu lượng ứng với tần xuất 100 năm cho toàn bộ các điều kiện phát triển được sử dụng để đảm bảo rằng độ dốc thuỷ lực ứng với lưu lượng thời đoạn 100 năm phải nhỏ hơn độ dốc tự nhiên của bề mặt đất tại tất cả các điểm dọc theo đoạn đặc trưng này của hệ thống Mực nước bề mặt thiết kế ứng với chu kỳ 25 năm được giả thiết trong lòng dẫn cửa ra

Hình 9.3 Sự tương tác lòng dẫn - cống ngầm lũ

Hình 9.3 thể hiện mối quan hệ thông thường giữa hệ thống cống tròn, lòng dẫn thu nhận, và hệ thống đường phố trong một phân vùng tiêu biểu trong thành phố Houston, nơi độ dốc được trung bình hoá với biên độ biến đổi nhỏ hơn 5% Các đường phố là một

phần của việc thiết kế hệ thống tiêu thoát nước lũ do những trận mưa với cường độ lớn

và độ dốc tương đối bằng phẳng gây nên Các khu vực đô thị khác có thể có các tiêu chuẩn thiết kế khác nhau tuỳ thuộc vào cường độ mưa, độ dốc mặt đất, độ dốc lòng dẫn,

và tỷ lệ phần trăm khu vực không thấm nước

Phân khu thiết kế sử dụng mô hình HEC-1

Một trong những vấn đề thiết kế thú vị trong trong thủy văn nước mặt là xác định nguyên nhân của lũ lụt tồn tại trong một khu vực đã phát triển và từ đó thiết lập nhiều phương án giải quyết khác nhau để giải quyết vấn đề Hệ thống cống lưu vực nhỏ được thiết kế trong ví dụ 9.2 có cấu trúc trong một phân khu gần thành phố Houston Một khu vực phát triển có diện tích 403 mẫu (0.63 spmi) được xây dựng trong khoảng thời gian 10 năm từ năm 1972 đến năm 1982, giữa năm 1980 (1984, 1987, và 1989) bắt đầu trải qua chuỗi số liệu lũ lụt kéo dài trong khoảng 12 nhà trong các thành phố trong phân khu Hình dạng khu vực trong hình 9.4 thể hiện những khu vực chính của lũ lụt Phân tích hệ thống cống tròn với thời đoạn thiết kế là 3 năm phù hợp trong phân khu như được lý giải trong ví dụ 9.2, nhưng hệ thống đó dường như bị quá tải từ độ cao các mực lũ lụt trong suốt thời kỳ các biến cố lượng mưa lớn hơn có chu kỳ từ 10 đến 25 năm

Hình 9.4 Diện tích tiêu thoát cho phân khu

Trong ví dụ 9.3 mô hình HEC-1 sẽ được sử dụng để dự báo tốc độ thay đổi lưu lượng phụ trội dòng chảy tràn và thể tích hiệu dụng thông qua việc xem xét các chiều hướng biến đổi của lượng mưa các thời đoạn trước và lượng mưa thiết kế chảy xuống hệ thống cống ngầm

Các bước tiếp theo được yêu cầu để thực hiện việc phân tích lũ lụt và phục vụ thiết kế:

1, Xác định các lưu lượng phụ riêng biệt, nơi nhập lưu của dòng chảy tràn và dòng chảy trong cống tròn đến các bộ phận kiển soát sự thay đổi (các cửa vào cống tròn hoặc cống ngầm) trong phân khu

2, Xác định các thông số của mô hình HEC-1 ở các khu vực phụ đặc biệt trong khu vực đã phát triển (xem phần 5.6)

3, Đánh giá các khu vực chính nơi nước được chuyển hướng vào trong hệ thống cống và xác định tốc độ thay đổi lưu lượng cực đại trên cơ sở hướng, độ dốc và đường kính của cống tròn

4, Thu thập các số liệu lượng mưa thiết kế và lịch sử từ các dụng cụ đo gần phân khu nhất, và tính toán chu kỳ của các trận lũ lịch sử

5, Xác định cấu trúc hoạt động tiếp theo trong lưu vực hồ chứa, như nó có thể ảnh hưởng đến tốc độ thay đổi dòng chảy và dung tích của hồ

6, Sử dụng thông tin đã được nghiên cứu, đánh giá các mối liên hệ tiêu thoát trữ lượng trong những đường phố chính và các khu vực khác nơi mà lũ lụt có thể quan trắc

được Cố gắng sử dụng tiện dụng các mực nước cao để tính toán số liệu lũ lụt quan trắc

được Việc tính toán các lưu lượng ra sử dụng phương trình Manning’s

7, Cài đặt và chạy mô hình HEC-1 cho những lượng mưa thiết kế và lịch sử và so sánh các mực trữ lượng dự báo với các kết quả quan trắc để có thể đánh giá quy mô của

nó

Ví dụ 9.3

Thiết kế với mô hình HEC-1

Số liệu đầu vào mô hình HEC-1 trong phân khu được phác hoạ trong hình 9.4 và số liệu lượng mưa trong thời đoạn 6 giờ với chu kỳ 100 năm được liệt kê trong bảng E9.3

Phương pháp TC và R được sử dụng từ bảng 5.13, phương pháp tổn thất luỹ thừa được

sử dụng để tính thấm, và phương pháp thời gian trễ đơn giản được sử dụng cho đường quá trình lũ (xem chương 5)

Những lượng mưa thiết kế và lịch sử khác nhau (1987 và 1989) sẽ được tính toán sau đó trong ví dụ này Toàn bộ quá trình lưu lượng tiếp theo là lưu lượng tiêu thoát tại phân khu 1 tại điểm 1 (được lan truyền trong hình 9.4) sau đó lưu lượng cực đại 158ft3/s

bị đổi hướng lần đầu vào một cống tròn có đường kính 54 (in) chảy đến bất kỳ một hồ chứa nào theo hướng tây Sau đó đường quá trình lưu lượng phân khu 1 tới điểm 2, khi

đó dòng chảy tại phân khu 2 được tính toán và nhập lưu lại trước khi quá trình lưu lượng di chuyển đến điểm 6, gần cửa ra lòng dẫn hở trong hình 9.4 Lưu lượng cực đại

víi chu kú 100 n¨m t¹i ®iÓm 6 tõ ph©n khu 1 vµ 2 lµ 517 ft/s

B¶ng E9.3 Sè liÖu ®Çu vµo m« h×nh HEC-1 cho vïng ph©n chia

ID CYPRESSWAY SUBDIVISION 100 - YEAR 6 - GIấ STORM HEC-1 RUN

Tiếp theo xem xét dòng chảy tại phân khu 3 và 4, chúng nhập lưu tại điểm 5 và

đường quá trình đó di chuyển đến điểm 6, sau khi bị đổi hướng ở điểm 3 và chảy vào cống tròn có đường kính 72 (in) nơi dòng chảy chảy tới điểm k và bị đổi hướng ở điểm 4 chảy vào một cống tròn có đường kính 42 (in) sau đó chảy theo hướng nam tới bất kỳ một hồ chứa nào, và bị đổi hướng ở điểm 5 nơi dòng chảy tràn trải rộng trên mặt đất theo hướng nam tới bất kỳ một bể chứa nào Kết quả lưu lượng cực đại là 88 ft3/s từ các phân khu 3 và 4 nhập lưu với lưu lượng 517 ft3/s từ các phân khu 1 và 2 tạo nên lưu lượng cực đại tại điểm 6 là 605 ft3/s Hình E9.3 (a) thể hiện hình dạng cuối cùng của biểu đồ thuỷ văn dòng chảy tràn với lượng mưa chu kỳ 100 năm trên phân khu

Mô hình HEC-1 cung cấp một công cụ rất có ích cho việc phân tích sự biến đổi các thành phần của hệ thống lưu vực bao gồm lưu lượng trong cống tròn, các chỗ đổi dòng,

và dòng chảy tràn Hình E9.3 (b) thể hiện các kết quả của mô hình HEC-1 với 3 trận mưa khác nhau tại các điểm biến đổi trong hệ thống bao gồm các trận lũ đo đạc được vào tháng 11 năm 1987 và tháng 5 năm 1989 với lượng mưa thiết kế là 10 năm (xem hình 5.11) Do vậy, lưu lượng cực đại ứng với các biến cố lũ đo đạc được vào năm 1987

và 1989 được xắp xếp thành một dãy các biến cố có chu kỳ từ 10 đến 100 năm Lưu lượng tương ứng với biến cố có chu kỳ 25 năm là 428 ft3/s, nó tương ứng với phần lớn biến cố tháng 5 năm 1989

Hình E9.3 (a) Các biểu đồ thuỷ văn dòng chảy ra từ mô hình HEC-1

Hình E9.3 (b) Những so sánh lưu lượng cực đại trong mô hình HEC-1

Tại điểm này trong việc nghiên cứu thiết kế, sự đánh giá cẩn thận các tính chất biến đổi trữ lượng nước của các khu vực lũ lụt là cần thiết, do đó thể tích hoặc lưu lượng trong suốt thời kỳ 1987 và 1989 có thể được so sánh với những mực nước cao quan trắc

được trong các sân, nhà, đường phố trong khu vực Những nghiên cứu địa hình chi tiết thường được yêu cầu nếu độ chính xác cho phép nhỏ hơn 10 (ft), chúng thường được thực hiện trong những lưu vực nhỏ Mô hình HEC-1 cũng có thể được sử dụng để đánh giá sự tác động của trữ lượng nước khống chế hiệu quả trong các khu vực bị ảnh hưởng, các cửa ra của cống tròn mở rộng, các lòng dẫn mở rộng, hoặc làm lệch hướng các dòng chảy nhập lưu tới các bể khác

Các phương pháp kiểm soát lũ lụt

Các phương pháp kiểm soát lũ lụt khác nhau trong phân khu lũ lụt được nghiên cứu khá chi tiết và chỉ nhấn mạnh các kết quả cuối cùng Trước tiên khu vực phát triển cao với những hộ gia đình riêng biệt, ngoại trừ việc nghiên cứu một vùng rộng lớn bên ngoài không phát triển và các lòng dẫn cửa ra không xác định hiển nhiên bị loại trừ ở

điểm 6 trong hình 9.4 Việc xây dựng những ngôi nhà trong những khu vực phía bắc có

xu hướng lũ lụt của điểm K và điểm Z được xây dựng trong một lòng sông cũ nơi đã bị lấp đầy trước lúc phát triển, và trong khi các cống tròn được thiết kế chính xác, không

có sự tồn tại của dung tích bổ xung cho dòng chảy phụ trội để tiêu thoát khỏi khu vực Lòng dẫn mở rộng ở của ra được tìm thấy không chịu ảnh hưởng của lũ lụt trong phân khu Lòng dẫn hở có thể được mở rộng tới thượng lưu và cắt ngang với các điểm K

và Z, nhưng điều này dẫn đến phá huỷ một cây cầu và nhiều nhà ở mức lớn nhất Hệ thống cống ngầm (từ điểm V đến điểm Z) có thể được mở rộng để kiểm soát trận lũ với chu kỳ 100 năm, nhưng ở mức độ thiệt hại lớn nhất và đảm bảo không rõ ràng rằng những lưu lượng với chu kỳ 100 năm trong những đường phố hiện tại có thể chảy vào trong các cống tròn Hệ thống cống (từ A đến K) có thể được thay đổi và di chuyển dọc theo hướng nam với sự tồn tại của các điểm đổi dòng 4 và 5, nhưng điều này chỉ có thể làm giảm lưu lượng cực đại tại điểm 6 xuống 88 ft3/s dẫn đến không đủ để có nhiều tác

động mạnh

Cuối cùng trữ lượng nước khống chế có thể được bổ xung để thoát xuống các phân khu, trữ lượng này dùng để kiểm soát lưu lượng lũ phụ trội Nếu lưu lượng lối vào có thể thu được trong một đoạn đặc trưng của khu vực không phát triển tại phía đông của cửa vào cống tròn V Từ phân khu 1 bổ xung một lưu lượng 364 ft3/s tạo nên lưu lượng tổng cộng 605 ft3/s, việc kiểm soát một phần lớn dòng chảy từ phân khu 1 bằng một ao khống chế là một lựa chọn tối ưu và điều đó có thể được tính toán dễ dàng bằng việc sử dụng mô hình HEC-1 để giải quyết quá trình lũ thông qua một ao khống chế Một ao khống chế tương tự 29 ac-ft được thiết kế trong ví dụ 9.4 (được thể hiện ở bên dưới của chương này) được nhập vào mô hình HEC-1 sau khi tính toán lưu lượng tại phân khu 1, nơi lưu lượng cực đại là 364 ft3/s Ao khống chế sẽ làm giảm lưu lượng xuống 85 ft3/s ở hạ lưu của ao, và do đó ảnh hưởng đến biểu đồ thuỷ văn ở điểm 6 được thể hiện trong hình E9.3 (a) Kết quả lưu lượng cực đại ở cửa sông bị giảm từ 605 ft3/s xuống 337 ft3/s,

đủ để giải quyết xong vấn đề lũ lụt ở mực có chu kỳ 100 năm trong phân khu

9.5

Thiết kế ao khống chế trong việc kiểm soát lũ lụt

Những thiết kế ao khống chế có ý nghĩa tích cực trong suốt thời kỳ cuối năm 1970

đến 1980 cũng như được các đoàn thể công nhận những lợi ích của nó trong việc kiểm soát lũ lụt và chất lượng nước của các hệ thống như vậy (xem phần 6.6) Craig và Rankl (1978) đã cải tiến và phát triển một phương pháp phần tử để nghiên cứu trữ lượng nước